清華大學陳立功團隊發現調控精子能量代謝新基因

發布時間：2021-04-23 15:01 原文鏈接：清華大學陳立功團隊發現調控精子能量代謝新基因

　　不孕不育是一種非常普遍的疾病，影響著全球約7000萬人的生活。據世界衛生組織（WHO）統計，目前全世界的育齡夫婦中約有9%在與生育問題作斗爭，其中男性因素占約50%。少、弱精癥或畸形精子癥的高發是男性不育的主要原因，男性精子質量呈逐年下降的趨勢已經變成一項世界性的問題。

　　2021年4月20日，清華大學藥學院陳立功課題組在

　　Cell Reports

　　在線發表了題為：SLC22A14 is a mitochondrial riboflavin transporter required for sperm oxidative phosphorylation and male fertility

　　的研究論文。

　　該研究揭示了SLC22A14是作為精子細胞特異性的轉運蛋白，可以通過轉運核黃素調節長鏈脂肪酸β-氧化，從而維持精子內的能量穩態，其表達缺陷參與雄性不育疾病的發生。

　　溶質載體（SLC）轉運蛋白家族是人類基因組中第二大膜蛋白家族，是細胞內最大的一類轉運蛋白家族，可以分布在細胞內從核膜到細胞質膜的各種生物膜結構上。SLC 易感位點已被發現與多種代謝性疾病有強烈相關性，這些疾病包括胰島素抵抗、2 型糖尿病、高血壓、慢性腎病、痛風、哮喘、炎癥性腸病、癌癥、癡呆和焦慮癥等。

　　SLC22A14是在哺乳動物中進化保守的SLC22亞家族成員，特異性地表達在雄性生殖細胞中。本研究利用CRISPR-Cas9技術構建了Slc22a14 基因敲除的小鼠，發現雄性純合子敲除小鼠是不育的，然而SLC22A14 的生物學功能和底物卻完全未知，其致病機制尚不清楚。

　　作者首先利用計算機輔助精子分析系統（CASA ）和體外受精試驗分析發現了Slc22a14 敲除引發精子的運動能力嚴重受損，致使精子無法穿透透明帶使卵母細胞受精。進一步研究發現Slc22a14 敲除精子ATP水平顯著降低，證實Slc22a14在某種程度上參與了精子的能量代謝。精子的運動主要依靠鞭毛主段的擺動產生助推作用，而鞭毛主段富含糖酵解酶類，因此一直以來，精子尾部的糖酵解被認為是人類和小鼠精子運動的主要能量來源。然而，越來越多的證據表明脂肪酸代謝在精子能量生成中的重要性。

　　針對附睪尾部精子的代謝組學和脂質組學分析表明Slc22a14敲除的精子內長鏈脂肪酸氧化和TCA 循環的中間代謝物顯著減少，并且發生了長鏈游離脂肪酸和甘油三酯的蓄積，而糖酵解過程發生代償性升高，但仍不能彌補ATP生成的不足。

　　作者接下來采用放射性和非放射性同位素示蹤技術，檢測了碳同位素標記的葡萄糖和脂肪酸底物在精子內的代謝情況，同時利用能量代謝分析儀評估了精子細胞耗氧量和胞外產酸值的變化，最終證實Slc22a14 敲除的精子內長鏈脂肪酸β-氧化（FAO）和氧化磷酸化（OXPHOS）途徑均存在缺陷，并且糖脂氧代謝途徑發生了重編程。

　　作者發現，游離脂肪酸約占精子內總脂質含量的25%，并且多種FAO相關蛋白質在精子內呈高豐度表達，而盡管FAO產ATP的量只占正常精子ATP生成總量的30%，但它對精子的運動和生育能力是不可或缺的。

　　作為一個轉運蛋白，SLC22A14的細胞內定位是什么以及通過轉運何種底物來發揮作用的呢？作者利用蛋白質質譜分析技術和超高分辨率顯微成像技術發現，SLC22A14是定位于精子線粒體內膜的轉運蛋白。精子是高度特化的一類細胞，無法大量體外擴增，并且在體外存活時間短，很難分離出有活性的線粒體。因此，作者采用SLC22A14過表達穩定細胞系作為研究模型，結合線粒體代謝組學、放射性或非放射性同位素標記底物攝取實驗以及核黃素缺乏的小鼠模型，鑒定出了核黃素為SLC22A14的底物之一。

　　核黃素是FMN和FAD的前體，是FAO、TCA 循環、ETC 復合物I 和II 的輔因子。此外，作為抗氧化劑，核黃素還可以保護細胞免受氧化損傷。Slc22a14基因敲除干擾核黃素進入線粒體基質的運輸過程，導致FMN和FAD耗竭和黃素酶活性降低，從而抑制ATP的合成，誘發精子功能損傷以及雄性不育。

　　該研究首次對精子這一特殊細胞類型的能量代謝展開較為系統的研究，填補了精子能量代謝領域和線粒體核黃素轉運蛋白研究領域的部分空白。一方面，作為精子特異性表達的轉運蛋白，SLC22A14 可以潛在地應用到以控制精子代謝為靶標的男性避孕藥的開發；另一方面，對SLC22A14 的研究可為臨床男性不育診治提供理論依據。

　　清華大學藥學院陳立功研究員為本文的通訊作者。藥學院已畢業博士生匡文華為本文第一作者。實驗室成員張杰、蘭洲、馬志龍、程麗麗、趙心彬、羅琪和孟子裔，新加坡A*STAR研究所范昊研究員、中科院動物所李衛研究員、清華大學醫學院紀家奎研究員等為本項研究工作做出了重要貢獻。

　　此項工作得到比爾梅琳達蓋茨基金會、科技部重點研發計劃、國自然基金委重大研究計劃和北京市結構生物學高精尖創新中心的基金支持。