精子发生是一个高度复杂的过程，精子发生的异常将导致男性不育。中心体作为精子的重要结构，是精子鞭毛的形成和精子头尾连接所必需的，也是受精卵的主要微管组织中心。事实上，精子形态异常引起的男性不育症大多伴有中心体功能障碍，且中心体完整性对于成功受精至关重要，但直接实验证据有限。目前研究已发现中心体蛋白与癌症、小头畸形、肥胖、糖尿病等症状有关。更重要的是，中心体蛋白功能障碍可能导致雄性不育，但相应的研究非常有限。

2022年3月16日，四川大学华西第二医院沈英、杨镒魟，蒋小辉，复旦大学张锋等课题组合作在国际知名期刊Nature Communications (IF=14.92) 上发表了题为CEP128 is involved in spermatogenesis in humans and mice 的最新研究成果。该研究通过基因敲入和敲除小鼠首次证实CEP128功能异常将导致雄性不育。进一步机制研究发现，CEP128通过调节精子发生过程中关键基因表达，以及调控TGF-β/BMP信号通路重要分子的磷酸化，从而参与雄性生殖发育调控。该研究发现为中心体蛋白质在生殖生物学中的功能提供了重要见解。景杰生物为该研究提供了蛋白质组学和磷酸化修饰组学技术支持。

研究人员发现同家族的两名男性患有原发性男性不育症，其临床特征为精子数量及活力低，精子形态异常。通过全外显子组测序，发现两名患者均携带一个CEP128基因的纯合错义突变 (c.665G>A[p.R222Q])。为了进一步确定CEP128在精子发生过程中的作用，研究人员使用CRISPR-Cas9技术生成了Cep128完全基因敲除小鼠(Cep128-KO) 和CEP128^R222Q敲入小鼠 (Cep128-KI)。与WT小鼠相比，Cep128-KO和Cep128-KI小鼠外观及活力均无明显区别，其雌性小鼠生育能力正常，但雄性小鼠不育。进一步分析发现Cep128-KI雄性小鼠精子数量减少且精子活力降低，同时大多数精子尾部呈现为发夹样弯曲 。透射电镜提示精子鞭毛“9+2”结构异常，主要表现为微管结构MTDs 1‒3及ODFs 1‒3的异位排列 (图1a)。

图1 精子鞭毛“9+2”结构异常电镜图

此外，Cep128-KI小鼠精子头颈连接结构在精子发生过程中异常发育 (图1b) 。值得注意的是，Cep128-KO小鼠也表现为精子发生缺陷，除精子数量减少，活力降低以外，精子形态也尤为明显，主要表现为断头表型，尾部异常也可观察到。透射电镜显示紊乱的鞭毛“9+2”结构及异常的头颈连接结构发育异常(图1b,c)。以上结果表明CEP128特异性影响精子发生，Cep128缺失和CEP128^R222Q纯合突变可导致小鼠雄性不育。

图2 雄性Cep128 KO/KI小鼠精子形态图

已报道研究发现，Cep128缺失可能减弱TGF-β/BMP 诱导的多种调节纤毛相关囊泡运输的蛋白质的磷酸化。研究人员采用TMT蛋白质组学、TMT磷酸化修饰组学检测了KO、KI和WT成年小鼠的睾丸组织 (样本策略)，以进一步揭示CEP128调控雄性生殖的分子机制。TMT蛋白质组学鉴定到399种差异表达蛋白质，与WT小鼠相比，纯合KO和KI小鼠中能量代谢和繁殖所需的蛋白质下调，而促凋亡蛋白表达上调。5个与雄性精子生成相关的重要蛋白质，包括Wbp2nl、Rcbtb2、Prss55、Crisp1和Defb22，在KO和KI小鼠中表达显著降低。

图3 CEP128调控精子生成相关蛋白

同时，磷酸化修饰组学分析进一步揭示了精子发生中CEP128的潜在分子机制。研究发现，与WT小鼠相比，纯合KI小鼠中TGF-β/BMP 信号通路分子 (包括 Lefty2、Neo1、Fbn1、Rbl1、Gata4 和 Trim33) 磷酸化水平显著降低，其中Rbl1, Gata4, 和Trim33 已证实与精子发生明确相关 (下图) 。此外，在KO小鼠中，参与精子发生的重要分子，如Fsip2, Cfap251, Prm1,Hfm1, Fam170b, Wipf3及 Top2a，也表现出重要的磷酸化水平降低。因此，CEP128可能通过调节参与精子发生所必需分子的磷酸化来调节正常生殖功能。

图4 在KI纯合子小鼠睾丸中检测到p-Rbl1、p-Gata4和p-Trim33的差异质谱

最后，研究人员尝试使用卵胞浆内单精子注射 (intracytoplasm sperm injection, ICSI) 技术，对先证者患者进行治疗，以解决其不育难题。ICSI技术俗称第二代“试管婴儿”,指在显微镜下将经过处理的单个精子直接注入卵子的细胞浆内使卵子受精,培养成胚胎再移植入女方宫腔内从而达到妊娠目的。两个患者通过ICSI成功形成受精卵 (成功率分别为2/4,1/7)，但遗憾的是，受精卵皆在达到卵裂期后停止发育。纯合KI 和KO组雄性小鼠的ICSI治疗显示出类似的结果，其受精率分别仅为50% (纯合KI组) 和6%(KO组)，且只有18%的纯合KI小鼠胚胎发展到囊胚阶段，KO小鼠的受精卵发育异常更严重 (下图)。这些结果表明，CEP128功能异常所导致的不育症，采用ICSI 治疗预后不良。

图5 CEP128可能与胚胎发育及ICSI的不良预后有关

综上所述，该研究结果全面阐明了中心体蛋白CEP128 在生殖过程中的重要功能，调控精子形成和胚胎早期发育。研究结果扩展了我们对中心体蛋白与疾病之间关系的认识，并为未来的研究提供更多指导。

参考文献

1. Xavier M. J., et al.2021. Disease gene discovery in male infertility: past, present and future. Hum. Genet.

2. Nigg, E. A., et al. 2014. The centrosome duplication cycle in health and disease. FEBS Lett.

3. Xueguang Zhang,et al.2022.CEP128 is involved in spermatogenesis in humans and mice. Nature Communications.

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阅读原文：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29109-7