日前，来自哈佛大学，波士顿儿童医院等机构的研究人员破解了精子中一种关键离子通道： CatSper （cation channel of sperm，精子特异性阳离子通道）的结构特征，这将有助于解析鞭毛的信号传递级联放大过程。相关研究论文刊登在了近期出版的《细胞》杂志上。论文资深作者之一是著名的华裔女科学家，哈佛大学庄小威（Xiaowei Zhuang）教授。

 

精子需要游动离开机体，航行一段很长的距离，最终将其携带的亲代 DNA 信息传递到成熟的卵细胞中去。对于精子而言，要完成这样一个复杂的过程，精子特异性钙离子通道必不可少，这些通道被哺乳动物鞭毛激活之后，能帮助成功完成航行和信息传递。

 

CatSper 就是其中一类离子通道，这一类通道共有 4 个成员（ CatSpers1-4），其中 CatSper1 是 2001 年发现的第一个 CatSper 家族成员。最早出现编码 CatSper 的基因是在单鞭毛虫体内，这表明精子很久以前就已经适应了这种单细胞航行的移动方式。

 

在这项最新研究中，庄小威和她的同事们通过遗传学、超高分辨率荧光显微镜（STORM）以及磷酸蛋白质组学研究技术，分析了这种鞭毛开关中依赖于 CatSper 的分子机制。他们发现精子中四个线性钙离子结构域都需要 CatSper 通道，这些结构域能组织鞭毛中的信号蛋白。当精子需要受精的时候，这种独特的结构能在时间和空间上集中酪氨酸磷酸化，并且在异质精子群中，研究人员发现了独一无二的分子表型，其中只有具有完整 CatSper 结构域的精子，才能成功进行移动，这些结构域的作用就是帮助组织特殊时间空间里特殊蛋白酪氨酸磷酸化。这些发现将有助于解释鞭毛的适应演化过程，也有助于解析鞭毛的信号传递级联放大，以及精子的生育能力。

 

这项最新研究采用了 STORM 技术，该技术是庄小威等人于 2005 年研发出的一种能够几百次地反复在各种颜色的光照下使用的，驱动为荧光态和暗态的发光分子团，从而得到了比传统光学显微镜高 10 倍以上分辨率的显微技术。利用这种技术，能表现组织或细胞更加细微的结构。

 

相比于光学显微技术由于受到衍射极限的限制，分辨率通常为几百个纳米左右，STORM 技术采用光转换荧光探针，在时间上分离相互重叠发光的荧光分子，然后重构得到高分辨率图像。应用这一想法，分子复合物，细胞及组织的二维，三维多色荧光成像的分辨率可达到数十纳米。这一技术可以记录纳米尺度的细胞内分子间相互作用及组织内细胞间的相互作用。

 

原文检索：

Jean-Ju Chung6, Sang-Hee Shim67, Robert A. Everley, Steven P. Gygi, Xiaowei Zhuang, David E. Clapham. Structurally Distinct Ca2+ Signaling Domains of Sperm Flagella Orchestrate Tyrosine Phosphorylation and Motility. Cell, 8 May 2014; DOI: 10.1016/j.cell.2014.02.056

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