在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自法國(guó)巴黎居里研究所、巴黎科欽研究所、德國(guó)馬克斯-普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)研究所、波恩大學(xué)和意大利米蘭人類技術(shù)中心等研究機(jī)構(gòu)的研究人員如今發(fā)現(xiàn)微管蛋白的一種特殊的稱為糖基化（glycylation）的酶修飾是讓精子保持直線游動(dòng)的關(guān)鍵。這些發(fā)現(xiàn)提示著對(duì)這種修飾進(jìn)行干擾可能是人類某些形式的男性不育癥的根源。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2021年1月8日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Tubulin glycylation controls axonemal dynein activity, flagellar beat, and male fertility”。
我們體內(nèi)的細(xì)胞利用我們的DNA文庫(kù)提取藍(lán)圖，這些藍(lán)圖包含構(gòu)建結(jié)構(gòu)和稱為蛋白的分子機(jī)器的指令。但故事并沒有到此為止：蛋白可以被酶修飾。這類修飾的發(fā)生早已為人所知，但令人驚訝的是，它們的功能在許多情況下卻不為人所知。我們?nèi)狈ι钊肓私獾囊粋€(gè)很好的例子是微管蛋白發(fā)生修飾所發(fā)揮的作用。微管是用于在細(xì)胞中制造支架的長(zhǎng)絲。雖然微管在我們體內(nèi)的所有細(xì)胞中高度相似，但是它們履行著各種各樣的功能。微管最專業(yè)的功能之一是在精子尾部或鞭毛中發(fā)現(xiàn)的。精子鞭毛對(duì)男性的生育能力和有性繁殖至關(guān)重要。它們必須以一種非常精確和協(xié)調(diào)的方式跳動(dòng)，以使精子逐步游動(dòng)，如果做不到這一點(diǎn)，就會(huì)導(dǎo)致男性不育。為了使精子保持直線游動(dòng)，酶對(duì)微管蛋白的修飾是必不可少的。其中的一種修飾被稱為糖基化，是迄今為止對(duì)微管蛋白的修飾中探索最少的一種。
這些研究人員對(duì)糖基化進(jìn)行了仔細(xì)研究。他們發(fā)現(xiàn)，在沒有這種微管蛋白修飾的情況下，鞭毛的跳動(dòng)方式會(huì)被擾亂，導(dǎo)致精子大多繞圈游動(dòng)。論文第一作者、巴黎居里研究所的Sudarshan Gadadhar解釋說，“精子鞭毛的核心是由微管組成的，還有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的稱為動(dòng)力蛋白（dynein）的微小分子馬達(dá)，這些分子馬達(dá)使得這些微管有節(jié)奏地彎曲，從而產(chǎn)生一波又一波的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。這些動(dòng)力蛋白的活動(dòng)必須是緊密協(xié)調(diào)的。在沒有糖基化的情況下，它們變得不協(xié)調(diào)，結(jié)果就是我們突然看到精子在繞圈游動(dòng)。”
為了找到答案，這些研究人員培育出缺乏對(duì)微管進(jìn)行糖基化的酶的小鼠品系。論文共同通訊作者、巴黎居里研究所研究員Carsten Janke說，“我們?cè)谖⒐苋狈μ腔男∈蟮木由嫌^察到了功能性缺陷，從而導(dǎo)致生育能力下降。由于作為模型系統(tǒng)的小鼠已知具有強(qiáng)大的生育能力，人類的類似缺陷可能會(huì)導(dǎo)致男性不育。”
為了找出為什么缺乏糖基化導(dǎo)致精子運(yùn)動(dòng)能力受到干擾和雄性不育，這些研究人員使用低溫電子顯微鏡來(lái)可視化觀察精子鞭毛及其分子馬達(dá)的分子結(jié)構(gòu)。對(duì)突變精子鞭毛的分析顯示，這種鞭毛是正確構(gòu)建的，但是這種突變干擾了纖毛軸動(dòng)力蛋白---為鞭毛跳動(dòng)提供動(dòng)力的分子馬達(dá)---的協(xié)調(diào)活動(dòng)。這就解釋了為什么精子細(xì)胞的游泳會(huì)受到干擾。
為什么這一發(fā)現(xiàn)如此重要？同為論文共同通訊作者的馬克斯-普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)研究所的Gaia Pigino和歐洲高級(jí)研究中心的Luis Alvarez總結(jié)道，“這項(xiàng)研究表明糖基化對(duì)鞭毛的動(dòng)力蛋白的控制是多么重要，是微管修飾如何直接影響細(xì)胞中其他蛋白的功能的一個(gè)典型例子。我們的研究結(jié)果提供了直接的證據(jù)表明微管通過微管蛋白修飾的密碼，在調(diào)節(jié)基本生物過程中起著積極的作用。此外，這項(xiàng)研究還指出了男性不育癥的一個(gè)新機(jī)制。由于精子鞭毛是我們體內(nèi)眾多類型的纖毛之一，我們預(yù)計(jì)類似的微管蛋白修飾在各種纖毛相關(guān)功能中都很重要。因此，我們的研究為深入了解多種疾病打開了一扇門，如發(fā)育障礙、癌癥、腎臟疾病或呼吸疾病和視覺疾病。”
參考資料：
1.Sudarshan Gadadhar et al. Tubulin glycylation controls axonemal dynein activity, flagellar beat, and male fertility. Science, 2021, doi:10.1126/science.abd4914.
2.Keeping sperm cells on track
https://phys.org/news/2021-01-sperm-cells-track.html
