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精子不运动有药治吗?衣藻研究帮解答

  带有荧光标记的衣藻细胞 

  精子在尾部纤毛结构的驱动下游向卵细胞,完成受精过程。精子纤毛结构变异导致不能运动是男性不孕症的原因之一。与精子相似,一种单细胞的藻类——衣藻,也具有纤毛结构,能够在水中游动。不同的是,精子只有一根纤毛,而衣藻具有两根纤毛。科学家利用衣藻研究纤毛的结构,发现其运动所需要的蛋白和编码基因,通过遗传操作在小鼠中制造这类基因的变异体,结果雄性小鼠出现了不育症状。利用衣藻的纤毛可以深入研究精子的运动机理,并进行药物筛选治疗精子不动症。 

  令人惊奇的是,科学家还发现,导致精子不能运动的遗传变异还可以引起呼吸道病变、内脏异位、多囊肾等症状,这又是怎么回事呢?且听水生所专家慢慢道来。 

  莱茵衣藻(简称衣藻)是一种单细胞绿藻,约10亿年前从陆生植物的祖先中分化出来。但是,衣藻却具有动物细胞的特征,其中最典型的是具有两根等长的鞭毛,也叫纤毛,突出在细胞的表面,由微管组成的轴丝和外面包裹的纤毛膜所组成。轴丝由外周的9个双微管和中间2个微管组成,简称92微管。控制纤毛轴丝运动的信号分子是钙离子,纤毛运动是由轴丝内外纤毛动力臂中的分子马达在轴丝微管上有规律的滑动而引起的。近几十年的研究发现,9+2型纤毛广泛存在于高等动物包括我们人类的某些细胞中。人类精子的尾巴就是一种运动纤毛,通过纤毛的运动精子游向卵细胞,进而完成受精过程。再如呼吸道上皮细胞纤毛通过有规律和有方向性的摆动,将细菌和灰尘排除体外。衣藻的纤毛与人的运动纤毛在结构上非常相近,关键蛋白的同源性达到90%以上。 

  

运动纤毛的结构和分布。(A)光学显微镜下的衣藻细胞。(B)运动纤毛的9+2结构示意图(横切面)。外周黄色的代表纤毛膜,内周和中间橘黄色环状的为9+2微管结构,粉红色的为内外纤毛动力臂,蓝色的为放射状辐条。(C)电镜下的精子。(D)电镜下呼吸道上的运动纤毛

    1.利用衣藻来研究纤毛的运动功能 

  同动物模型相比,利用衣藻来研究纤毛的运动功能具有得天独厚的优势:衣藻易于大量培养、易于分离提取足量纤毛用于生化分析;衣藻营养细胞是单倍体的,也就是只有一套遗传物质,易于获得纤毛运动突变体;衣藻遗传操作体系较完善,便于研究突变蛋白的功能。因此,关于纤毛运动机理的很多开创性工作都是在衣藻中完成的。 

  首个发现与纤毛有关的疾病叫原发性纤毛运动障碍,其症状是上下呼吸道病变、内脏异位和男性不育。研究发现其致病的原因是纤毛中与运动相关的结构完全或部分缺失,纤毛的运动功能丧失。目前已鉴定出的20多种原发性纤毛运动障碍的致病基因编码的蛋白大都定位在内外纤毛动力臂和放射状辐条上。科学家在衣藻中鉴定出与运动相关的蛋白,在小鼠中把同源蛋白的基因通过遗传操作进行“敲除”后,同样出现了呼吸道病变、内脏异位和雄性不育等表型。这些工作不仅鉴定出新的原发性纤毛运动障碍致病基因,也建立了研究这种疾病的新模型。目前科学家建议将在衣藻中鉴定出的与运动相关的基因作为产前诊断基因。

    2.利用衣藻来研究纤毛的感受功能 

  人们对于纤毛的感受功能的认识得益于对纤毛形成机制的研究。1993年耶鲁大学Joel Rosenbaum 教授实验室的博士生 Keith Kozminski等人发现在纤毛内有大小不等的颗粒在来回运动,从纤毛底部到顶部运动的颗粒较大,速率为每秒2微米;从纤毛顶部运回底部的颗粒较小,速率为每秒3.5微米,这种运动机制称为纤毛内运输(简称IFT)。随后的研究发现IFT存在于所有具有纤毛的生物中,作为运输工具参与纤毛的形成、解聚和纤毛内信号转导。IFT复合体分为正向分子复合体和反向分子复合体。其中正向复合体中的一个蛋白叫IFT88,在衣藻中敲除IFT88基因导致鞭毛无法形成。在小鼠中存在IFT88的同源蛋白,该蛋白变异(Tg737突变体)导致视网膜的纤毛不能形成、失去视觉,鼻腔中的纤毛不能形成、丧失嗅觉,以及骨骼发育畸形等缺陷。这又是为什么呢?原来,在这些组织中的纤毛执行着重要的感受功能。 

  

  人体中存在感受纤毛的主要器官和组织

  

  多囊肾(左)与正常肾(右)比较

  小鼠Tg737突变体更加引人注目的病症是肾表皮细胞的纤毛不能形成,肾表皮细胞过度繁殖导致多囊肾。人类也由于两个蛋白的变异引发多囊肾,患病率为0.1%-0.2% 2004年,两个实验室同时证明,这两个蛋白都位于肾表皮细胞的纤毛上,其后的研究还发现在小鼠中能导致多囊肾的突变基因编码的蛋白都与纤毛有关,从而提出了多囊肾的纤毛假说:位于肾表皮纤毛的这两个蛋白组成复合体,能感受肾液的流动,从而控制肾表皮细胞的繁殖。这两个蛋白的突变,或者纤毛的缺失,都会失去对肾表皮细胞增殖的控制,从而引发多囊肾。衣藻的纤毛膜上也有与其中一个蛋白相类似的蛋白,参与调控纤毛内信号传导,该蛋白依赖于IFT在纤毛中运动,这些发现为研究多囊肾的致病机理提供了新的方向。

    3.利用衣藻来研究纤毛的分泌功能 

  纤毛的分泌功能首先是在衣藻中发现的。在衣藻进行有丝分裂后期的母细胞中,子细胞纤毛可以分泌囊泡至细胞外,囊泡上携带有用来降解母细胞壁的蛋白水解酶,将母细胞壁降解后释放出子细胞,该发现证明纤毛可以通过分泌途径与外界环境或其他细胞之间进行交流。我们研究组2016年在Current Biology(26: 3327-3335)发表的研究结果还证明,纤毛囊泡的组成与纤毛膜不同,存在着特异的蛋白和复合体,再次证明纤毛囊泡的分泌是主动的、受调控的过程。纤毛囊泡的分泌参与纤毛膜的更新、纤毛解聚和配子的形成以及交配过程。纤毛囊泡不仅能携带有活性的酶,还可携带与交配相关的信号分子,甚至还包括小RNA,参与细胞间物质和信息的交流。 

  纤毛的分泌功能。衣藻子细胞的鞭毛能分泌带有蛋白水解酶的囊泡(红色的点),消化母细胞壁,释放出子细胞 

  衣藻中纤毛分泌功能的发现进一步拓展了对纤毛功能的认识,纤毛不仅是信号的接收器,同时也是信号的发射器。其后,美国Mareen Barr实验室发现线虫的感受神经元可以从其纤毛基部朝细胞外分泌囊泡,其中携带的信号分子与个体间的交流及交配行为相关。锥虫纤毛可以分泌携带毒性因子的纤毛囊泡至胞外,这些纤毛囊泡会结合到红细胞膜上,导致红细胞膜蛋白的改变进而引起贫血症。耶鲁大学Bewersdorf实验室在超高分辨显微技术研究中观察到,哺乳动物细胞纤毛膜上也有囊泡样突起。最新在Cell杂志上发表的研究表明,哺乳动物细胞的初级纤毛在特定条件下可以分泌囊泡至胞外,参与调控细胞周期。这些工作将进一步拓宽纤毛分泌功能的研究领域。

    4.利用衣藻来筛选治疗纤毛病的药物 

  纤毛的结构和运动、感受以及分泌功能异常能导致人类疾病包括男性不育、呼吸道疾病、多囊肾、神经系统发育缺陷、眼盲、耳聋、肥胖症和癌症等等,这些疾病统称为纤毛病。目前还没有治疗纤毛病的药物。衣藻因其培养简单,易于同步化,非常适合建立高通量的药物筛选方法。目前正尝试利用小分子库、天然化合物库以及中药资源筛选调控纤毛运动的候选药物,用于促进精子的运动,治疗不育症,或者用于抑制精子的运动达到控制生育的目的;同样,也可以利用衣藻筛选治疗多囊肾和其他纤毛病的药物。 

  利用衣藻这种模式生物不仅促进我们深入了解纤毛的形成与解聚的机理,还可揭示纤毛病发生的遗传基础和分子机理,获得治疗纤毛病的候选药物,对纤毛病的预防、诊断和治疗提供依据。这些例证再次表明,像衣藻、斑马鱼和线虫这样的模式生物,对于人类健康研究有着重要的意义。