生物物理所研究发现秀丽线虫精子活化的调控机制

　　中科院生物物理研究所苗龙研究组以The micronutrient element zinc modulates sperm activation through the SPE-8 pathway in Caenorhabditis elegans为题，在Development发表了最新的研究成果。文中报道了在秀丽线虫的精子成熟过程中，生殖道上皮细胞分泌的微量元素Zn2+作为内源性活化因子依赖于SPE-8信号通路促进精子的成熟。

　　减数分裂后形成的精子只有经过活化后方能形成具有运动和受精能力的成熟精子细胞。模式生物秀丽隐杆线虫在天然状态下，主要以雌雄同体通过自体受精(即同一个体所产生的精子与卵细胞进行受精的过程)实现后代繁殖，产生自我后代。雄性个体占群体比例极低，约为0.2%。在雌雄同体与雄性个体交配后，雄性个体的精子细胞被优先利用，产生杂交后代，即雄性个体的精子细胞在精子竞争中具有优势。遗传学研究表明：雌雄同体和雄性个体各有可诱导精子激活的启始因子，这两个启始因子在功能上是部分冗余的;雌雄同体的精子细胞活化依赖于精子细胞表达的SPE-8信号通路。前期的研究表明，雄性个体输精管上皮细胞分泌的类胰蛋白酶的丝氨酸蛋白酶TRY-5通过其蛋白酶活性启始精子激活过程(Zhao et al., PNAS, 2012; Ma et al., Protein & Cell, 2012)。然而，雌雄同体精子活化信号一直不清楚。

　　研究意外发现，微量元素Zn2+在精子细胞激活中具有重要调控作用。Zn2+可以直接促进线虫精子细胞的体外成熟，且Zn2+诱导的精子激活依赖于SPE-8信号通路，自由态Zn2+在雌雄同体生殖腔内高度富集，揭示Zn2+是雌雄同体生理条件下的活化因子。进一步研究发现，Zn2+在雄性生殖腺中储精囊的小型分泌细胞中亦高度富集，说明Zn2+是雄性精子和雌雄同体精子共同享用的活化信号。胞外Zn2+促发胞内囊泡中富集的Zn2+通过调节性胞吐释放到介质中，进而正向反馈促进精子激活信号的放大。我们的初步研究亦表明，雄性精子与雌雄同体精子的胞内Zn2+分布格局截然不同，这些差异可能是雄性精子在精子竞争占优势的物质基础。

　　生物物理所研究生刘志宇和助理研究员陈联万为该项工作的共同第一作者，其他作者还有研究生尚云龙、黄平。苗龙博士为本文通讯作者。

　　该项研究由国家基础研究计划、国家自然科学基金和中科院“百人计划”资助完成。

线虫未成熟精子细胞内锌离子的分布。绿色荧光显示囊泡内自由态锌离子，红色荧光指示线粒体。 精子细胞直径为5微米。