首次揭示重要的精子离子通道全貌，或加速男性避孕药研发

2021-09-03

以下文章来源于Nature Portfolio，作者Nature Portfolio原文作者：David E. Clapham & Raymond E. Hulse

CatSper膜离子通道是男性生育能力所必需的，CatSper的激活能增强精子运动。最新的结构数据提供了对该通道的新认知，也带来了一些惊喜。

精子要想发挥正常功能，有一个膜离子通道非常关键，而这个膜离子通道的许多具体结构依然成谜。林世翼等人[1]在《自然》报道的最新数据填补了这方面的一些空白。精子和卵子承载了生命的起源和延续，两者必须经过重重难关才能完成基因交流。一个精子细胞要与数百万个想让卵细胞受精的其他精子展开竞争。

每个精子都要在女性生殖道中游动很长的距离，这段旅程要求精子的运动类型发生巨大变化，包括在遇到高pH值时触发剧烈的游动方式。受精过程中单个精子和卵子的结合是另一个非常复杂的过程，经过千万次的瞬息万变，这种结合会在每个细胞内形成一个新的基因组，最后孕育出一个拥有万亿细胞的婴儿。

与焦急期盼第一个孩子的父母一样，科学家也渴望了解精子离子通道CatSper的结构特征（图1），CatSper控制着精子的超激活运动（hyperactive motility），是生育能力所必需的[2]。自20年前被发现以来[3,4]，研究CatSper组成和结构的方法也在不断变化。

早期使用高分辨率X射线晶体学进行结构测定的方法遇到了一些瓶颈，一个是CatSper包含大量蛋白质亚基（超过10个），另一个是在结构研究中，这些蛋白质会在它们通常不表达的细胞中表达。

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图1 | CatSper离子通道的结构。林世翼等人[1]报道了用冷冻电镜获得的结构数据。

该通道在精子尾部以“赛车条纹”（racing-stripe）图案排列，能通过帮助精子超激活游动所需的阳离子（带正电荷的钙离子）的进入提高生育力。通道的中央离子传导孔由四个亚基组成：CatSper1、CatSper2、CatSper3和CatSper4（为清楚展示其他亚基CatSper3未画出）。

作者报道，复合物中其他一些蛋白质——CatSperβ、CatSperγ、CatSperδ和CatSperε——在孔隙上形成一个类似帐篷的“亭子”（为清楚展示其他亚基CatSperδ未画出）。作者还发现SLCO6C1也是与该复合物相关的一个蛋白质。出人意料的是，作者发现了一个与阳离子通道相关的阴离子（带负电荷的离子）转运蛋白。新发现的与该通道相关的蛋白质包括CatSperη和TMEM249。

该结构还提示了已知与该复合物相关的蛋白质EFCAB9和CatSperζ的位置。

CatSper通道的原始版本最早出现在单鞭毛虫这种单细胞生物中[5]。在强大的演化压力下，CatSper越变越复杂——CatSper复合物可以说是迄今已知最复杂的离子通道。

蛋白质CatSper1、CatSper2、CatSper3和CatSper4形成了一个四聚体，即离子通道的孔，另外还有至少六种蛋白质与该复合物相关（CatSperβ、CatSperγ、CatSperδ、CatSperε、CatSperζ和EFCAB9）[2,6]。当精子到达女性生殖道的上宫颈或子宫输卵管连接处时，CatSper会对高pH值做出反应，也许还会对其他因素做出反应。

CatSper的激活与钙离子进入精子有关[7]，能完全改变精子“尾巴”（鞭毛）的运动，形成一种强劲有力、不对称的摆动模式，被称为超激活运动。CatSper活性具有弱电压依赖性[7]（对跨细胞膜电压的敏感性），这可能是由于每个成孔亚基的电压传感器中带正电荷的氨基酸数量不同。

现在，林世翼等人报道了CatSper的结构数据。

他们构建了在CatSper1上标记了绿色荧光蛋白的小鼠，该小鼠还带有一种称为FLAG的肽的拷贝。他们使用这种标记版本的CatSper1从小鼠精子细胞中分离出了CatSper复合物，报道了第一个使用冷冻电镜获得的CatSper结构。

该结构显示，四种辅助跨膜蛋白（CatSperβ、CatSperγ、CatSperδ和CatSperε）在孔隙上方形成一个类似帐篷的“亭子”（图1），它们的杆状跨膜支撑位于孔隙外，在相邻成孔亚基的电压传感器两侧。CatSperβ和CatSperε分别与其电压传感器CatSper4和CatSper2接触。

亭子的较大接触面——特别是某些特征蛋白质结构域（如七叶β螺旋桨结构域）的存在，提示了可能与可溶性配体分子结合的区域。值得注意的是，多个辅助成分打乱了核心四聚体成孔亚基的对称性。这与通常在相关离子通道中观察到的对称性不同，该发现或能带来对通道功能所涉机制的更多认识。

CatSper的结构也带来了一些惊喜。

结构建模（以及使用质谱法获得的支持性证据）表明，一个名为SLCO6C1（一种有机阴离子转运蛋白）的蛋白质与CatSperε和CatSper2的电压感应结构域相关联。这一观察结果与其他发现是一致的[8,9]。这次发现的另一个与CatSper相关的蛋白质关联，是跨膜蛋白CatSperη（另一种以前未知的相互作用蛋白）与蛋白TMEM249和一种尚未被鉴定的细胞质蛋白的关联。

这些细胞质组分是结构中最不清楚的部分：CatSperζ和EFCAB9的亚复合体揭示了一种未知蛋白质（由α-螺旋组成）和另一种夹在CatSper2和CatSper3的细长S6片段之间的未知物质。EFCAB9的两个叶（lobe）包含钙结合基序（称为EF手），能嵌入EFCAB9和CatSperζ相互作用的区域。这些结构域可能与钙结合[8]，从而通过中间体将钙进入精子与下游蛋白质（如动力蛋白）联系起来。

今后仍需回答的一个重要问题是：钙信号是如何使精子尾鞭在游动期间增加弯曲频率和弯曲幅度的。

令人兴奋的是，来自其他研究小组的补充数据显示，冷冻电子断层扫描和显微镜的结果表明，CatSper复合物在沿着精子尾部的四个四边形“赛车条纹”中分别按Z字形组装[9,10]。EFCAB9-CatSperζ对桥接两个交错的通道单位（旋转180°）作为Z字形组装的基本单元，有研究[9]提出这种纵向纳米域能让沿鞭毛的CatSper通道阵列同时打开，以便信号在精子尾部快速传递。

林世翼等人的结构数据以及上述贡献，极大增进了我们对CatSper的了解，并为长期存在的问题提供了潜在的答案或解决方法。这些问题包括：如果有的话，细胞外亭子结构会与什么结合？如果这些结构存在结合配体，它们的结合是否会影响CatSper电压敏感性或钙通道，又是否会引起沿CatSper传播并影响该复合物细胞质成分的结构变化？CatSper激活是否会改变阴离子转运蛋白的活性？

这些开创性的贡献将加速对男性专用避孕药（以及具有物种特异性的专用避孕药）靶向分子的寻找。最后，与CatSper相关的发现或许能为治疗与该复合体组分编码基因突变相关的男性不育指明方向。参考文献：

1. Lin, S., Ke, M., Zhang, Y., Yan, Z. & Wu, J. Nature 595, 746–750 (2021).

2. Qi, H. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 104, 1219–1223 (2007).

3. Ren, D. et al. Nature 413, 603–609 (2001).

4. Quill, T. A., Ren, D., Clapham, D. E. & Garbers, D. L. Proc. Natl Acad. Sci. USA 98, 12527–12531 (2001).

5. Cai, X., Wang, X. & Clapham, D. E. Mol. Biol. Evol. 31, 2735–2740 (2014).

6. Wang, H., McGoldrick, L. L. & Chung, J.-J. Nature Rev. Urol. 18, 46–66 (2021).

7. Kirichok, Y., Navarro, B. & Clapham, D. E. Nature 439, 737–740 (2006).

8. Hwang, J. Y. et al. Cell 177, 1480–1494 (2019).

9. Zhao, Y. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2021.06.19.448910 (2021).

10. Chung, J.-J. et al. Cell 157, 808–822 (2014).

原文以Sperm CatSper ion channel swims into sharper focus标题发表在2021年7月21日的《自然》的新闻与观点版块上© nature doi: 10.1038/d41586-021-01945-5