《Nature Communications》：Doublet microtubule-associated tektins and enzymes differentially regulate sperm flagellar integrity and motility
編輯推薦：
【編輯薦語】精子功能依賴鞭毛中的雙聯微管（DMT）。然而，不同DMT相關蛋白在精子中的具體功能與機制尚不清楚。為闡明此問題，研究人員針對DMT上的兩類關鍵成分——中間纖維樣Tektin蛋白（TEKT1, TEKT5）與酶（TSSK6, DUSP21）——分別構建了基因敲除小鼠模型。研究發現，TEKT1缺失會導致雄性不育及精子運動能力受損，而TEKT5缺失則不影響生育，揭示了Tektin家族的功能分化。TSSK6缺失則引發精子形態與運動嚴重紊亂，并導致軸絲蛋白磷酸化失調。相反，DUSP21缺失不影響生育。該研究闡明了絲狀蛋白與酶類DMT蛋白通過不同機制調控精子功能，為男性不育的分子診斷提供了新見解。
生命繁衍的奇跡始于精子與卵子的成功相遇，而精子那根不停擺動的“小尾巴”——鞭毛，正是推動其穿越重重障礙、完成受精使命的關鍵動力裝置。這根精密的“納米馬達”其核心結構被稱為軸絲（axoneme），主要由一系列規則排列的“9+2”微管構成。其中，外圍的九組雙聯微管（Doublet Microtubule, DMT）是產生動力的結構基礎。然而，DMT并非孤立的骨架，其上附著著大量功能各異的蛋白質，它們如同馬達上的精密零件，共同協作以保證鞭毛的正常組裝與高效運動。盡管科學家們已大致了解鞭毛的結構，但對于附著在DMT上的各類蛋白質具體扮演什么角色、如何精細調控精子功能，尤其是它們在人類男性不育癥（其中一種常見類型是精子運動能力低下的弱精癥，asthenozoospermia）中的潛在作用，仍知之甚少。解開這些謎團，對于深入理解生殖生物學的基本原理以及開發新的不育癥診療策略，都具有重要意義。
近期，一項發表于《自然-通訊》（Nature Communications）的研究為這些問題提供了新的答案。為了厘清不同DMT相關蛋白在精子功能中的特異性作用，研究團隊沒有采取“廣撒網”的策略，而是基于高分辨結構信息，精準地選擇了四類具有代表性的DMT成分作為研究靶點。它們分別是兩種結構類似中間纖維的Tektin家族蛋白（TEKT1和TEKT5），以及兩種酶：一種激酶TSSK6和一種磷酸酶DUSP21。針對這四個靶點，研究人員分別構建了相應的基因敲除（Knockout, KO）小鼠模型，通過比較這些“缺陷”小鼠與正常小鼠的精子表型與分子變化，來反推這些蛋白的功能。
這項研究主要運用了基因工程動物模型構建、精子功能與形態學分析、以及磷酸化蛋白質組學等關鍵技術方法。研究人員構建了Tekt1、Tekt5、Tssk6和Dusp21四個基因的敲除小鼠品系。通過對這些模型鼠的精子進行計算機輔助精子分析（CASA）評估運動參數，利用透射電鏡（TEM）觀察鞭毛超微結構，并結合免疫熒光、蛋白質印跡（Western blot）等分子生物學技術檢測相關蛋白的表達與定位。此外，研究還采用了磷酸化蛋白質組學技術，系統比較了野生型與Tssk6KO精子中全蛋白的磷酸化修飾水平變化，以揭示激酶調控的分子網絡。樣本來源于課題組自主構建并繁育的基因敲除小鼠。
TEKT1缺失導致雄性不育與鞭毛結構缺陷，而TEKT5缺失則不影響生育
研究人員首先聚焦于Tektin蛋白家族。Tekt1KO雄性小鼠完全不育，其精子運動速度顯著下降，鞭毛擺動模式異常。超微結構分析揭示，Tekt1KO精子鞭毛中負責穩定DMT的Tektin蛋白束（tektin bundle）完全消失，同時伴有部分DMT結構紊亂。有趣的是，盡管TEKT5同樣位于DMT，但Tekt5KO雄性小鼠卻生育力正常，其精子運動能力和鞭毛超微結構均與野生型無顯著差異。這一對比鮮明的結果表明，雖然同屬Tektin家族，TEKT1（在精子鞭毛和運動纖毛中均有表達）對于維持鞭毛結構完整性和運動功能至關重要，而精子特異表達的TEKT5則功能冗余或可被補償，揭示了DMT結構蛋白家族內部的功能分化。
Tssk6缺失導致嚴重的精子形態與運動障礙，并擾亂軸絲蛋白磷酸化
接下來，研究探討了激酶TSSK6的作用。Tssk6KO雄性小鼠表現為完全不育，其精子出現了嚴重的形態異常，包括頭部畸形和鞭毛彎曲、纏繞甚至斷裂。這些精子的運動能力幾乎完全喪失。進一步的磷酸化蛋白質組學分析發現，與野生型相比，Tssk6KO精子中有大量與軸絲結構和運動相關的蛋白質其磷酸化水平發生了顯著改變，包括動力蛋白臂（dynein arm）、微管內蛋白（radial spoke）等關鍵組件。這證明TSSK6通過調控軸絲蛋白的磷酸化修飾這一信號通路，在維持精子正常形態和鞭毛運動中扮演著核心角色。研究還發現，即便是只缺失一個Tssk6基因拷貝的雜合子（heterozygote）小鼠，其生育力也低于野生型，表現為亞生育（subfertility）狀態，提示該基因劑量效應敏感。
Dusp21缺失未表現出生育或精子運動缺陷
作為對比，磷酸酶DUSP21的缺失則呈現出不同的故事。Dusp21KO小鼠在生育力、精子數量、活力及形態方面均未檢測到明顯缺陷。這一陰性結果暗示，在精子鞭毛系統中，可能存在其他磷酸酶補償了DUSP21的功能，或者DUSP21在此特定生理過程中并非關鍵調控因子。
表型比較提示TEKT1與TSSK6分別對應不同機制的弱精癥亞型
通過系統比較Tekt1KO和Tssk6KO小鼠的表型，研究人員提出了一個具有臨床啟示的觀點：這兩種模型可能模擬了人類弱精癥的不同亞型。Tekt1KO主要表現為運動能力下降，但精子形態大體正常，類似于以鞭毛結構缺陷為主的弱精癥；而Tssk6KO則同時存在嚴重的形態異常和運動障礙，可能代表了一類由信號轉導（磷酸化調控）紊亂導致的、更為復雜的弱精癥亞型。這為未來從分子層面精細診斷男性不育癥提供了潛在的分類依據。
研究結論與意義
綜上所述，這項研究通過精準的遺傳學干預和多維度的表型分析，系統闡釋了附著于精子鞭毛雙聯微管上的不同類別蛋白質如何通過迥異的分子機制調控精子功能。主要結論包括：1）絲狀結構蛋白TEKT1是維持鞭毛結構完整性和運動功能所必需的，其功能不可被同家族的TEKT5替代；2）激酶TSSK6通過調控軸絲核心功能蛋白的磷酸化修飾，在精子形態發生和鞭毛運動調控中發揮關鍵作用，且具有基因劑量敏感性；3）磷酸酶DUSP21在本次研究設定的條件下，對精子功能無顯著影響；4）基于不同分子缺陷（結構蛋白缺失 vs. 激酶信號失調）可導致不同表型的弱精癥，提示了男性不育癥存在內在異質性。
該研究的深刻之處在于，它不僅揭示了單個基因的功能，更通過平行比較，描繪了一幅DMT蛋白協同工作的“分工圖”：結構蛋白（如TEKT1）充當“鋼筋骨架”，保證物理結構的穩定；而激酶（如TSSK6）則如同“信號開關”，通過化學修飾（磷酸化）精細調節“馬達”的運轉狀態。兩者任一環節出錯，都可能導致“馬達”失靈，引發不育。這些發現極大地深化了我們對精子運動生物學基本原理的理解。更重要的是，研究鑒定出的關鍵蛋白（如TEKT1、TSSK6）及其相關的磷酸化信號通路，為開發針對特定分子缺陷的男性不育癥新型診斷生物標志物和潛在治療靶點指明了方向。未來，臨床或可通過對患者精子進行相關蛋白表達或磷酸化水平的檢測，實現弱精癥的分子分型，從而邁向更精準的個性化診療。
