研究發現精子中新型核糖體能產生精子特異蛋白組

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核糖體是最重要的聚合酶之一，以信使RNA（mRNA）為模板，氨酰化tRNA（aa-tRNA）為底物，合成蛋白質的工廠。核糖體在每個哺乳動物的細胞中有百萬至千萬的拷貝【1,2】。核糖體本身也占有細胞的大量物質占比，核糖體RNA（ribosomal RNA, rRNA）占所有細胞類型中總RNA的80-85%，核糖體蛋白（ribosomal protein, rProtein）在哺乳動物中占總蛋白量的5-10%，總蛋白拷貝數的10-20%【1】（圖1）。

圖1.核糖體結構圖與核糖體參與蛋白質合成工作原理圖

（A) 核糖體以信使RNA（mRNA）為模板，氨酰化轉運RNA（aa-tRNA）為底物，合成蛋白質的工廠。（B）tRNA在核糖體內移動，是蛋白質合成工廠中生產線上的物流【3,4】 （C）核糖體的基本結構與細胞內拷貝數、占有物質的比例【1】

2022年12月14日，南京醫科大學沙家豪、郭雪江團隊與中科院生物物理所秦燕團隊合作在Nature上發表了文章 “A male germ-cell-specific ribosome controls male fertility”，發現精子發生中的新型核糖體（RibosomeST）能夠產生精子特異蛋白組。

核糖體為直接20~30nm的近球體，在細胞的高分辨成像中，可以看到核糖體的廣泛分別（圖2）。在快速增殖的細胞中，核糖體占有的物質、能量比例更高，組織細胞發生發展、決定細胞命運 (秦燕課題組2022年7月在Science Bulletin綜述【5】)。特殊的核糖體能夠產生特殊的蛋白組，從而決定細胞的功能和命運，是近年來的重要命題，對理解細胞功能的主要載體-蛋白質的產生，是追根溯源的問題：核糖體如何決定蛋白組。

圖2.（A）冷凍電子顯微鏡呈現的不同細胞原位狀態下的核糖體。（B）聚焦離子束顯微鏡結合人工智能技術重塑細胞成分。【3】

在雄性生殖細胞中，核糖體大亞基蛋白L39，在精子發生的減數分裂后會發生轉移并使用L39L的形式在核糖體上。該研究發現L39是核糖體大亞基新生肽鏈通道上的重要成分，L39L替換L39后，這個通道可以變寬很多，有利于精子成熟中大量正電蛋白的產生。那么核糖體L39如何決定精子生殖蛋白組？

研究人員通過L39L型核糖體（RibosomeST）和普通L39型核糖體（Ribosome）的超分辨cryo-EM結構解析（分辨率在L39的2.82埃，L39L的3.03埃），發現核糖體大亞基新生肽鏈通道上的重要成分，L39L替換L39后，這個通道可以變寬很多，有利于精子成熟中大量正電蛋白的產生。

圖3 精子發生中的特殊核糖體-ribosomeST， 由L39L（右圖，紅色蛋白）替換普通的L39（右圖，紫色蛋白），導致核糖體新生肽鏈通道變寬，有助于精子發生中大量帶正電新生肽鏈的產生。

精子發生是物種繁衍的核心功能，少弱精癥是近年來的重要國民健康問題，該研究將會為相關疾病提供重要標記物和治療靶點。

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參考文獻：

1. An, H., and Harper, J. W. (2020) Ribosome Abundance Control Via the Ubiquitin-Proteasome System and Autophagy. J Mol Biol 432, 170-184

2. An, H., Ordureau, A., Korner, M., Paulo, J. A., and Harper, J. W. (2020) Systematic quantitative analysis of ribosome inventory during nutrient stress. Nature 583, 303-309

3. Wang, Q., Wang, Y. B., Li, S. G., Zhou, A. Q., and Qin, Y. (2022) Organelle biogenesis: ribosomes as organizer and performer. Science Bulletin 67, 1614-1617

4. Liu, G., Song, G., Zhang, D., Zhang, D., Li, Z., Lyu, Z., Dong, J., Achenbach, J., Gong, W., Zhao, X. S., Nierhaus, K. H., and Qin, Y. (2014) EF-G catalyzes tRNA translocation by disrupting interactions between decoding center and codon-anticodon duplex. Nat Struct Mol Biol 21, 817-824

5. Zhang, D., Yan, K., Liu, G., Song, G., Luo, J., Shi, Y., Cheng, E., Wu, S., Jiang, T., Lou, J., Gao, N., and Qin, Y. (2016) EF4 disengages the peptidyl-tRNA CCA end and facilitates back-translocation on the 70S ribosome. Nat Struct Mol Biol 23, 125-131