关乎男性生育——微管蛋白甘氨酸化与“小蝌蚪”迷路

　　Science | 小修饰，大作用：

　　微管是细胞骨架中的重要组分，其结构与组成在大多数的细胞种类以及组织中都是高度类似的。微管中富含多种多样的翻译后修饰以对应其不同的功能，这些丰富的表观遗传修饰又被成为“微管蛋白密码（Tubulin code）”【1】。但是目前对于微管蛋白密码清晰的功能以及机制相关的数据尚有缺乏。其中微管蛋白的甘氨酸化（Glycylation）是该领域研究中最少的一种，目前只在部分物种的轴突微管中被发现过，但是在细胞质微管中鲜有研究【2】。先前的工作表明，甘氨酸化可能对纤毛和鞭毛至关重要，但仍缺乏机制方面的认识。

　　为了对微管蛋白甘氨酸化的具体生物学功能以及其发挥作用的分子机制进行研究，法国居里研究院Carsten Janke研究组、德国马克斯·普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所Gaia Pigino研究组、德国高级欧洲研究中心Luis Alvarez研究组以及Sudarshan Gadadhar（第一作者）合作在Science发文题为Tubulin glycylation controls axonemal dynein activity, flagellar beat, and male fertility，解开了微管蛋白甘氨酸化修饰对于精子细胞轴丝动力蛋白活性、鞭毛运动节奏以及雄性育性的影响。

　　哺乳动物中微管蛋白的甘氨酸化修饰的催化过程主要包含两个步骤：1）微管蛋白酪氨酸连接酶类甘氨酸化酶（Tubulin-tyrosine ligase-like，TTLL）TTLL3以及TTLL8在未修饰的微管蛋白上加上第一个甘氨酸残基；2）TTLL10专门延长初生的甘氨酸链。小鼠中甘氨酸化如果被完全破坏会造成严重的影响：通过shRNA敲除Ttll3/8后会造成导致室管膜细胞运动纤毛的丧失【3】。在视网膜以及结肠中这两种不表达Ttll8的组织中，单独敲除Ttll3即会造成连接纤毛的光感受器逐渐缩短、视网膜退化以及结肠原发纤毛的部分丧失并伴随结直肠肿瘤的加速发展【4，5】。因此，甘氨酸化似乎在纤毛的完整性和功能中起着至关重要的作用，然而它在哺乳动物最特化的纤毛——精子鞭毛中的功能仍是未知的。

　　为了对甘氨酸化在精子鞭毛生理过程中的功能进行理解，作者们建立一个Ttll3-/-Ttll8-/-双敲除的小鼠品系。作者们发现在进行甘氨酸化酶双敲除后，所有组织中鞭毛和鞭毛仍然可见，大脑和肾脏的功能也未见异常。气管的多毛上皮也没有明显的异常。但是可以看到其中的甘氨酸化修饰完全消失。

　　尽管小鼠睾丸组织未受到双敲除的显著影响，但是作者们发现小鼠的同胎生仔数却发生了显著的降低。因此，作者们考虑甘氨酸化酶双敲除可能造成了雄性小鼠育性的下降。为了检测该双敲除对于雄性育性的影响，作者们利用体外受精实验【6】进行检测，体外受精实验相对于体内实验来说更加敏感。在体外受精实验中，作者们发现缺乏微管蛋白的甘氨酸修饰的确会显著降低精子的育性。进一步地，作者们对支配精子从附睾分离的三个主要参数进行了探究，其中包括精子细胞数量、形态以及运动性【7】。作者们发现双敲除的精子与对照组相比，数量以及存活能力方面并没有太大的差别。但是，利用计算机协助精子分析技术（Computer-assisted sperm analyses，CASA）进行的运动性的参数评估中，双敲除组都出现了明显的异常。

　　根据这一结果，作者们进一步对双敲除组小鼠精子的鞭毛运动节奏进行了2D和3D的分析检测。野生型小鼠的精子运动模式轨迹类似于扭动的飘带（Twisted ribbon trajectory）【8】并且整个轨迹呈现精妙的对称性，但是作者们发现双敲除组中的精子的运动轨迹出现了明显的偏移和不对称性，这些“小蝌蚪”的运动轨迹出现了异常偏移的螺旋路径（图2）。为了揭开精子鞭毛运动节奏异常的具体机制，作者们通过分别对内层和外层的轴丝动力蛋白臂进行分析后发现精子轴丝96nm重复的组装并没有受到影响，但是其中外层的动力蛋白臂结构出现了异常。

　　总的来说，该工作证明了微管蛋白甘氨酸化的功能以及具体的分子机制。人类精子相较于小鼠精子来说对于精子运动性缺陷更加敏感，精子运动性的缺陷是造成超过80%男性不育的疾病例如弱精症的重要原因【9】。因此，该工作对于解决男性生育问题提供了重要的参考意义和可能的治疗思路。