苗龙课题组发现线虫精子激活运动过程中钠钾ATPase极性分布的新机制

　　2021年5月28日，Developmental Cell在线发表了中国科学院生物物理研究所苗龙课题组题为"Membrane-contact site-dependent cholesterol transport regulates Na⁺/K⁺-ATPase polarization and spermiogenesis in Caenorhabditis elegans"的研究论文，该论文揭示了以膜接触位点为平台进行的胆固醇非囊泡型逆向转运，进而调节线虫精子激活运动过程中钠钾ATPase极性分布的分子机制，鉴定了两个精子发生特异表达的钠钾ATPase编码基因nkb-2（调节亚基）和capt-4（功能亚基）并探讨了钠钾ATPase离子泵维持精子细胞内离子稳态影响精子激活运动的调控机理。

　　细胞极性的建立与维持对于许多生物过程如细胞生长、不对称细胞分裂、细胞定向迁移等都是必需的，是细胞膜蛋白及相关信号分子、胞内细胞骨架以及细胞器在特定区域内选择性分布的结果，其极化状态随细胞功能的变化而变化，是细胞形态多样性和可塑性的基础；目前，调控细胞极性建立与维持的分子机制尚不清楚。

　　模式生物秀丽隐杆线虫（C. elegans）的精子发生过程早已被研究，经过两次减数分裂后，单倍体精子以出芽的方式从残余体脱落，胞内含有细胞核，线粒体和一个特化的膜细胞器（membranous organelle，MO），（见超微结构图）；而核糖体、内质网、高尔基体等细胞器滞留于残余体中随后被降解。完成减数分裂的单倍体精子与哺乳动物精子类似，同样需要一个成熟的过程（在哺乳动物中称为精子获能，在线虫中称为精子激活）才能发育为具有运动能力可受精的功能性精子，在这一过程中细胞接受激活信号后建立极性，生长伪足，MO与质膜融合维持精子极性状态，是研究运动细胞极性建立与维持的良好模型。

C. elegans线虫精子细胞超微结构

　　苗龙课题组以C. elegans为材料研究精子激活运动的调控机理，该研究鉴定到两个精子发生特异表达的基因nkb-2和capt-4，分别编码钠钾ATPase离子泵（NKA）的调节亚基和功能亚基，NKA在静息精子细胞中均匀分布于质膜，当精子细胞接受激活信号开始激活时，细胞生长针状伪足并起始极性建立，针状伪足融合为片状伪足的同时NKA向细胞体方向聚集，随着MO与质膜融合，NKA从伪足前沿消失内陷至MO融合窝中，在5分钟内精子获得运动能力（见视频）。NKA任一亚基的突变都将导致精子细胞内钠离子浓度增加，膜电势增强，精子主要蛋白（Major Sperm Protein, MSP）异常聚合，激活精子运动能力大大降低，从而造成线虫不育。 

视频: NKA（GFP::NKB-2，绿色）在线虫精子激活运动过程中的动态极性分布，红色（FM 4-64）标记细胞质膜。

　　同时，该研究重点解析了NKA在精子激活过程中极性分布的调控机制，发现NKA与质膜胆固醇存在共转运现象，精子细胞的电镜超微结构显示胞内膜细胞器MO头部与质膜之间形成稳定的膜接触位点，并且其它组织细胞中调节胆固醇/PI4P转运的关键蛋白如OSBP/OBR-4、VAP/VPR-1、SAC-1等在线虫精子中均有表达且定位于MO头部，以PI(4,5)P2为底物产生PI4P的肌醇5-磷酸酶CIL-1对于线虫精子的激活运动也是必需的（Bae et al., 2009），CIL-1突变后可导致精子激活时NKA不能转运至MO融合孔，提示膜接触位点PI4P的降低抑制了离子泵蛋白的转运，进而影响了细胞极性的维持和细胞运动能力的获得。

　　该工作揭示了精子细胞中膜磷脂成分PI(4,5)P2和PI4P转换影响精子激活运动时质膜胆固醇的逆向转运，进而调节了质膜钠钾ATPase离子泵的极性分布；而钠钾ATPase离子泵所调控的离子平衡对于精子激活运动和受精能力的获得都是必需的，阐述了定位于质膜的钠钾ATPase离子泵在精子激活运动过程中打破对称进行极性定位，调控胞内离子平衡维持精子运动和受精能力的分子机制。

　　中国科学院生物物理研究所苗龙研究员、赵艳梅副研究员和曹铮博士为本文共同通讯作者，博士后王秋实、工程师曹铮、博士生杜宝臣和博士生张琦为本文共同第一作者。生物物理研究所高级工程师陈联万在本工作中提供了电镜技术的支持，该研究获得科技部和国家自然科学基金委的经费支持。

　　文章链接：https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(21)00402-0

（供稿：苗龙研究组）