子科生物報道：7月5日晚上23時左右，西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、西湖實驗室吳建平團隊在Nature在線發(fā)表題為“Structure of a mammalian sperm cation channel complex”的最新研究結(jié)果，報道了受精過程中關(guān)鍵離子通道復(fù)合體CatSper的高分辨率三維結(jié)構(gòu)。

這是在全世界首次揭示這一超級復(fù)合物的樣貌，并且鑒定出多個以前從未發(fā)現(xiàn)的成分，統(tǒng)稱為“CatSper通道體”（CatSpermasome）。

結(jié)構(gòu)生物學(xué)家、西湖大學(xué)校長施一公評價說：“這是一個充分彰顯結(jié)構(gòu)生物學(xué)魅力的突破性進展。由于這一進展，人類第一次看到了CatSper這樣一個在哺乳動物受精過程中起到關(guān)鍵作用的鈣離子通道復(fù)合物的全貌，更重要的是發(fā)現(xiàn)了新的蛋白組分，提出了Catspermasome的概念，必將極大促進對其功能的研究?！?br>

什么是CatSper？它對我們的生命活動有什么意義？這需要從生命的起源——受精說起。

受精是所有高等生物有性生殖的第一步。受精過程中，如果精子或卵子存在缺陷，就會導(dǎo)致不孕不育。

盡管當前輔助生殖技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，但人們對于受精過程的機理研究還不夠深入，該領(lǐng)域仍然有許多生物學(xué)問題亟待解決，研究精子活化的開關(guān)CatSper的結(jié)構(gòu)與功能就是其中之一。

CatSper全稱The cation channel of sperm，是一種分布于精子上的陽離子通道復(fù)合物，也是目前公認的精子細胞膜上最重要的鈣離子通道。

在小鼠模型中，CatSper的失活會導(dǎo)致精子運動異常和雄性不育。在很多男性不育病人的檢測中也發(fā)現(xiàn)，CatSper的表達量顯著降低，而CATSPER2（CatSper其中一種組成部分）的突變體也會導(dǎo)致弱精癥。

形象一點說，想要受精成功，精子需要完成兩件非常重要的事情：“游”向卵子和在卵子上“鉆孔”，這兩件事都與CatSper密切相關(guān)，作為鈣離子進入精子細胞的開關(guān)，它直接影響精子的運動幅度、運動速度、穿卵能力等。

因而，CatSper一直以來成為了治療男性不育以及開發(fā)新型非激素類避孕藥的重要靶點，解析其高分辨率三維結(jié)構(gòu)具有十分重要的科學(xué)和應(yīng)用意義。

然而，過去20年來，盡管國內(nèi)外有眾多課題組聚焦于CatSper的結(jié)構(gòu)研究，但進展極其有限。

“離子通道通常由一個核心組成成分負責運輸離子，稍復(fù)雜的通道會有一些輔助性組成成分，我以前研究過的通道最多有5個組成部分”，吳建平說，“但CatSper非常獨特，它陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)的組成部分就有10個，是目前已知成分最復(fù)雜的離子通道，研究它的結(jié)構(gòu)具有很大的難度。此前10個已知組成部分均無結(jié)構(gòu)信息被報道?！?/p>

2019年，吳建平從普林斯頓大學(xué)結(jié)束博士后研究工作，全職加入西湖大學(xué)。他盯上了CatSper。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)生物學(xué)在研究一個蛋白質(zhì)時，主要做法是將它的基因?qū)爰毎麅?nèi)，在細胞內(nèi)表達出這個蛋白質(zhì)。但對于CatSper，由于其組成的復(fù)雜性，細胞表達的方法充滿挑戰(zhàn)。

在經(jīng)歷了前期的失敗后，吳建平團隊意識到CatSper可能還存在更多潛在有效成分，它們的缺失導(dǎo)致無法獲得完整的CatSper蛋白。課題組另辟蹊徑，轉(zhuǎn)而從精子細胞本身著手，通過方法的不斷摸索和優(yōu)化，最終成功純化了鼠源CatSper復(fù)合體蛋白。

“相當于傳統(tǒng)的方法是利用細胞復(fù)制CatSper，而我們是直接從小鼠精子上去取現(xiàn)成的CatSper?！眳墙ㄆ秸f。

之后，依托西湖大學(xué)冷凍電鏡平臺，他們利用單顆粒三維重構(gòu)技術(shù)解析了其分辨率為2.9 ?的三維結(jié)構(gòu)，CatSper的真面目終于呈現(xiàn)在眼前。

結(jié)構(gòu)表明，這實際上是一個擁有至少14個組成部分的超級復(fù)合物，吳建平團隊將其命名為CatSper通道體（CatSpermasome）。

高清電鏡三維重構(gòu)圖顯示，CatSper通道體的組成部分交疊環(huán)繞，像一個水母，有個大大的“腦袋”露在精子細胞膜外面，攔腰部分插入在細胞膜中間，還有幾條細細的“腿”深入到細胞里面。

重要的是，研究團隊發(fā)現(xiàn)CatSper通道體的全新功能成分中，有一個為主要協(xié)助轉(zhuǎn)運蛋白家族成員。

傳統(tǒng)觀念認為，離子通道負責離子的運輸，轉(zhuǎn)運蛋白負責小分子的轉(zhuǎn)運，二者雖同屬細胞膜蛋白，但互不相干。而CatSper通道體卻同時包含了通道蛋白和轉(zhuǎn)運蛋白。這不僅刷新了人們對于CatSper組成的認識，也顛覆了對于離子通道和轉(zhuǎn)運蛋白在細胞中各自為戰(zhàn)的傳統(tǒng)觀念。

該工作首次揭示了CatSper通道體獨特的組裝方式，為理解其功能調(diào)控、離子運輸?shù)冗^程提供了深入的機理解釋，并為后續(xù)基于CatSper通道體結(jié)構(gòu)的不育癥相關(guān)藥物和非激素類避孕藥物開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。

西湖大學(xué)為該論文的通訊單位。生命科學(xué)學(xué)院特聘研究員吳建平為該論文的通訊作者，西湖大學(xué)博士生林世翼、博士后柯檬為該論文的共同第一作者，博士生張寓琪為論文第二作者。西湖大學(xué)特聘研究員閆湞對本文具有重要貢獻。此外，該項研究得到西湖大學(xué)冷凍電鏡平臺、西湖大學(xué)高性能計算中心、西湖大學(xué)質(zhì)譜及代謝平臺以及西湖大學(xué)實驗動物中心的大力支持。該工作獲得西湖教育基金會、西湖實驗室的經(jīng)費支持。