破解健康精子的前世今生!上海科学家这项研究为男性不育治疗提供理论基础

破解健康精子的前世今生!上海科学家这项研究为男性不育治疗提供理论基础飞入寻常百姓家
来源:新民晚报   作者:郜阳   2022-08-12 19:11:18

图说:刘默芳(前排左四)研究组 采访对象供图(下同)

近20年来,我国不孕不育率从6.9%上升至17.1%。其中,男性因素约占不育因素的四成。抽烟、饮酒,辐射、尾气,还有内分泌、基因突变,都会导致精子质量下降和不育。揭示男性不育的致病原因及机理,可为相关男性不育症的精准医疗提供理论基础和方法策略。

然而,精子形成过程中仍有许多谜题尚未破解。中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)刘默芳研究组与上海交通大学医学院附属新华医院黄旲研究组及国内外多家实验室合作研究发现,RNA结合蛋白FXR1可通过液-液相分离激活小鼠后期精子细胞中mRNA的翻译,保障精子形成过程的正常进行。这一成果于北京时间今天(12日)凌晨在线发表于国际学术期刊《科学》(Science)。

“休眠”mRNA如何被激活

对于雄性个体而言,生殖细胞历经有丝分裂、减数分裂以及最后的形变才能发育为成熟精子。在精子细胞形变过程中,随着细胞核被逐步压缩,基因组的转录活动将逐渐降低直至完全停止。

精子细胞发育所需基因要提前转录为信使核糖核酸(mRNA),然后以接近于“休眠”的翻译抑制状态储存起来,至特定发育阶段再被激活翻译,合成蛋白质发挥功能。但这些“休眠”的mRNA如何被翻译激活,科学家们对其中的机制还知之甚少。

研究团队以小鼠为模式动物展开此项研究。他们发现,一个RNA结合蛋白FXR1在小鼠睾丸中特异性高表达,并且大量出现在后期精子细胞的蛋白质翻译机器中。在生殖细胞中敲除FXR1基因后,小鼠睾丸中与FXR1结合的mRNA翻译活性降低、蛋白质表达明显减少;小鼠则表现为无精、雄性不育。

液滴结构参与翻译激活

进一步研究发现,精子细胞中FXR 1与多个翻译相关因子存在相互作用,并在体内形成一种动态且可招募大量mRNA的液滴结构。

现有理论认为,这类液滴结构通常是蛋白质、核酸等生物大分子在细胞内达到一定浓度后,形成独立于周围环境的无膜亚细胞器结构,以执行特定生化反应或生物学过程。这一过程被称为液-液相分离。刘默芳打比方说,可以想象成油滴入水杯里,两者分离的现象。

图说:上海科学家发现相分离激活蛋白质翻译

“在基础科研中,‘猜’和‘筛’这两步往往绕不开。”刘默芳说,体外实验证明,FXR1具有显著的液-液相分离能力。研究人员由此推测,FXR1可能通过液-液相分离形成液滴结构,进而参与mRNA的翻译激活过程。

为了验证这一猜想,研究人员在体外培养细胞和体内精子细胞中分别测试了FXR1液滴形成能力与mRNA翻译活性的关系。结果显示,破坏FXR1的液滴形成能力将导致mRNA翻译活性降低。

随后,研究人员利用CRISPR-Cas9结合半克隆技术,进一步将小鼠生殖细胞中的FXR1突变为无法形成液滴的FXR1变体,发现该小鼠生精细胞中mRNA的翻译活性明显降低,小鼠表现为无精、雄性不育。

认识复杂的精子发生过程

刘默芳告诉记者,这一研究揭示了FXR1液-液相分离介导的mRNA翻译激活新机制,有助于进一步认识复杂的精子发生过程,为男性不育诊断和治疗提供理论依据。

法国人类遗传研究所Martine Simonelig教授在随刊配发的展望评论中指出,该研究发现了生物分子凝集翻译激活的新功能,并进一步揭示了FXR1相分离能力对于小鼠精子发生的重要性。

在小鼠身上获得的实验成果,能否“由鼠及人”?刘默芳解释,正在与相关医院的辅助生殖医学中心合作,开展相关通路筛选,确定类似的液滴结构是否会在男性体内出现。这将推动未来针对男性不育的治疗。当然,从实验室走向临床,还有很多路要走。

中科院院士王恩多是刘默芳的博士研究生导师,她评价说,这项成果的诞生是从一处不起眼的发现深入的,有些人或许浅尝辄止,而刘默芳团队“穷追猛打”,一路深挖下去。更可喜的是,刘默芳的学生如今亦成长为独立的课题组长,参与到老师的课题研究中,并作出了重要贡献。

对了,中科院分子细胞卓越中心的女科学家们建了“沾花惹草”群,刘默芳也是其中一员,办公室里鲜花开得正艳。自2015年开展这项研究来,爱“沾花惹草”的她迎来了科研路上的“开花结果”。

新民晚报记者 郜阳

编辑:裘颖琼

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