關乎男性生育——微管蛋白甘氨酸化與“小蝌蚪”迷路

　　Science | 小修飾，大作用：

　　微管是細胞骨架中的重要組分，其結構與組成在大多數的細胞種類以及組織中都是高度類似的。微管中富含多種多樣的翻譯后修飾以對應其不同的功能，這些豐富的表觀遺傳修飾又被成為“微管蛋白密碼（Tubulin code）”【1】。但是目前對于微管蛋白密碼清晰的功能以及機制相關的數據尚有缺乏。其中微管蛋白的甘氨酸化（Glycylation）是該領域研究中最少的一種，目前只在部分物種的軸突微管中被發現過，但是在細胞質微管中鮮有研究【2】。先前的工作表明，甘氨酸化可能對纖毛和鞭毛至關重要，但仍缺乏機制方面的認識。

　　為了對微管蛋白甘氨酸化的具體生物學功能以及其發揮作用的分子機制進行研究，法國居里研究院Carsten Janke研究組、德國馬克斯·普朗克分子細胞生物學和遺傳學研究所Gaia Pigino研究組、德國高級歐洲研究中心Luis Alvarez研究組以及Sudarshan Gadadhar（第一作者）合作在Science發文題為Tubulin glycylation controls axonemal dynein activity, flagellar beat, and male fertility，解開了微管蛋白甘氨酸化修飾對于精子細胞軸絲動力蛋白活性、鞭毛運動節奏以及雄性育性的影響。

　　哺乳動物中微管蛋白的甘氨酸化修飾的催化過程主要包含兩個步驟：1）微管蛋白酪氨酸連接酶類甘氨酸化酶（Tubulin-tyrosine ligase-like，TTLL）TTLL3以及TTLL8在未修飾的微管蛋白上加上第一個甘氨酸殘基；2）TTLL10專門延長初生的甘氨酸鏈。小鼠中甘氨酸化如果被完全破壞會造成嚴重的影響：通過shRNA敲除Ttll3/8后會造成導致室管膜細胞運動纖毛的喪失【3】。在視網膜以及結腸中這兩種不表達Ttll8的組織中，單獨敲除Ttll3即會造成連接纖毛的光感受器逐漸縮短、視網膜退化以及結腸原發纖毛的部分喪失并伴隨結直腸腫瘤的加速發展【4，5】。因此，甘氨酸化似乎在纖毛的完整性和功能中起著至關重要的作用，然而它在哺乳動物最特化的纖毛——精子鞭毛中的功能仍是未知的。

　　為了對甘氨酸化在精子鞭毛生理過程中的功能進行理解，作者們建立一個Ttll3-/-Ttll8-/-雙敲除的小鼠品系。作者們發現在進行甘氨酸化酶雙敲除后，所有組織中鞭毛和鞭毛仍然可見，大腦和腎臟的功能也未見異常。氣管的多毛上皮也沒有明顯的異常。但是可以看到其中的甘氨酸化修飾完全消失。

　　盡管小鼠睪丸組織未受到雙敲除的顯著影響，但是作者們發現小鼠的同胎生仔數卻發生了顯著的降低。因此，作者們考慮甘氨酸化酶雙敲除可能造成了雄性小鼠育性的下降。為了檢測該雙敲除對于雄性育性的影響，作者們利用體外受精實驗【6】進行檢測，體外受精實驗相對于體內實驗來說更加敏感。在體外受精實驗中，作者們發現缺乏微管蛋白的甘氨酸修飾的確會顯著降低精子的育性。進一步地，作者們對支配精子從附睪分離的三個主要參數進行了探究，其中包括精子細胞數量、形態以及運動性【7】。作者們發現雙敲除的精子與對照組相比，數量以及存活能力方面并沒有太大的差別。但是，利用計算機協助精子分析技術（Computer-assisted sperm analyses，CASA）進行的運動性的參數評估中，雙敲除組都出現了明顯的異常。

　　根據這一結果，作者們進一步對雙敲除組小鼠精子的鞭毛運動節奏進行了2D和3D的分析檢測。野生型小鼠的精子運動模式軌跡類似于扭動的飄帶（Twisted ribbon trajectory）【8】并且整個軌跡呈現精妙的對稱性，但是作者們發現雙敲除組中的精子的運動軌跡出現了明顯的偏移和不對稱性，這些“小蝌蚪”的運動軌跡出現了異常偏移的螺旋路徑（圖2）。為了揭開精子鞭毛運動節奏異常的具體機制，作者們通過分別對內層和外層的軸絲動力蛋白臂進行分析后發現精子軸絲96nm重復的組裝并沒有受到影響，但是其中外層的動力蛋白臂結構出現了異常。

　　總的來說，該工作證明了微管蛋白甘氨酸化的功能以及具體的分子機制。人類精子相較于小鼠精子來說對于精子運動性缺陷更加敏感，精子運動性的缺陷是造成超過80%男性不育的疾病例如弱精癥的重要原因【9】。因此，該工作對于解決男性生育問題提供了重要的參考意義和可能的治療思路。