精子不運(yùn)動(dòng)有藥治嗎？衣藻研究幫解答
帶有熒光標(biāo)記的衣藻細(xì)胞
精子在尾部纖毛結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下游向卵細(xì)胞，完成受精過程。精子纖毛結(jié)構(gòu)變異導(dǎo)致不能運(yùn)動(dòng)是男性不孕癥的原因之一。與精子相似，一種單細(xì)胞的藻類——衣藻，也具有纖毛結(jié)構(gòu),能夠在水中游動(dòng)。不同的是，精子只有一根纖毛，而衣藻具有兩根纖毛?？茖W(xué)家利用衣藻研究纖毛的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)所需要的蛋白和編碼基因，通過遺傳操作在小鼠中制造這類基因的變異體，結(jié)果雄性小鼠出現(xiàn)了不育癥狀。利用衣藻的纖毛可以深入研究精子的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，并進(jìn)行藥物篩選治療精子不動(dòng)癥。
令人驚奇的是，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致精子不能運(yùn)動(dòng)的遺傳變異還可以引起呼吸道病變、內(nèi)臟異位、多囊腎等癥狀，這又是怎么回事呢？且聽水生所專家慢慢道來。
萊茵衣藻（簡(jiǎn)稱衣藻）是一種單細(xì)胞綠藻，約10億年前從陸生植物的祖先中分化出來。但是，衣藻卻具有動(dòng)物細(xì)胞的特征，其中最典型的是具有兩根等長(zhǎng)的鞭毛，也叫纖毛，突出在細(xì)胞的表面，由微管組成的軸絲和外面包裹的纖毛膜所組成。軸絲由外周的9個(gè)雙微管和中間2個(gè)微管組成，簡(jiǎn)稱9＋2微管。控制纖毛軸絲運(yùn)動(dòng)的信號(hào)分子是鈣離子，纖毛運(yùn)動(dòng)是由軸絲內(nèi)外纖毛動(dòng)力臂中的分子馬達(dá)在軸絲微管上有規(guī)律的滑動(dòng)而引起的。近幾十年的研究發(fā)現(xiàn)，9+2型纖毛廣泛存在于高等動(dòng)物包括我們?nèi)祟惖哪承┘?xì)胞中。人類精子的尾巴就是一種運(yùn)動(dòng)纖毛，通過纖毛的運(yùn)動(dòng)精子游向卵細(xì)胞，進(jìn)而完成受精過程。再如呼吸道上皮細(xì)胞纖毛通過有規(guī)律和有方向性的擺動(dòng)，將細(xì)菌和灰塵排除體外。衣藻的纖毛與人的運(yùn)動(dòng)纖毛在結(jié)構(gòu)上非常相近，關(guān)鍵蛋白的同源性達(dá)到90%以上。
運(yùn)動(dòng)纖毛的結(jié)構(gòu)和分布。（A）光學(xué)顯微鏡下的衣藻細(xì)胞。（B）運(yùn)動(dòng)纖毛的9+2結(jié)構(gòu)示意圖（橫切面）。外周黃色的代表纖毛膜，內(nèi)周和中間橘黃色環(huán)狀的為9+2微管結(jié)構(gòu)，粉紅色的為內(nèi)外纖毛動(dòng)力臂，藍(lán)色的為放射狀輻條。（C）電鏡下的精子。（D）電鏡下呼吸道上的運(yùn)動(dòng)纖毛
1.利用衣藻來研究纖毛的運(yùn)動(dòng)功能
同動(dòng)物模型相比，利用衣藻來研究纖毛的運(yùn)動(dòng)功能具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)：衣藻易于大量培養(yǎng)、易于分離提取足量纖毛用于生化分析；衣藻營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞是單倍體的，也就是只有一套遺傳物質(zhì)，易于獲得纖毛運(yùn)動(dòng)突變體；衣藻遺傳操作體系較完善，便于研究突變蛋白的功能。因此，關(guān)于纖毛運(yùn)動(dòng)機(jī)理的很多開創(chuàng)性工作都是在衣藻中完成的。
首個(gè)發(fā)現(xiàn)與纖毛有關(guān)的疾病叫原發(fā)性纖毛運(yùn)動(dòng)障礙，其癥狀是上下呼吸道病變、內(nèi)臟異位和男性不育。研究發(fā)現(xiàn)其致病的原因是纖毛中與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)完全或部分缺失，纖毛的運(yùn)動(dòng)功能喪失。目前已鑒定出的20多種原發(fā)性纖毛運(yùn)動(dòng)障礙的致病基因編碼的蛋白大都定位在內(nèi)外纖毛動(dòng)力臂和放射狀輻條上?？茖W(xué)家在衣藻中鑒定出與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的蛋白，在小鼠中把同源蛋白的基因通過遺傳操作進(jìn)行“敲除”后，同樣出現(xiàn)了呼吸道病變、內(nèi)臟異位和雄性不育等表型。這些工作不僅鑒定出新的原發(fā)性纖毛運(yùn)動(dòng)障礙致病基因，也建立了研究這種疾病的新模型。目前科學(xué)家建議將在衣藻中鑒定出的與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的基因作為產(chǎn)前診斷基因。
2.利用衣藻來研究纖毛的感受功能
人們對(duì)于纖毛的感受功能的認(rèn)識(shí)得益于對(duì)纖毛形成機(jī)制的研究。1993年耶魯大學(xué)Joel Rosenbaum 教授實(shí)驗(yàn)室的博士生 Keith Kozminski等人發(fā)現(xiàn)在纖毛內(nèi)有大小不等的顆粒在來回運(yùn)動(dòng)，從纖毛底部到頂部運(yùn)動(dòng)的顆粒較大，速率為每秒2微米；從纖毛頂部運(yùn)回底部的顆粒較小，速率為每秒3.5微米，這種運(yùn)動(dòng)機(jī)制稱為纖毛內(nèi)運(yùn)輸（簡(jiǎn)稱IFT）。隨后的研究發(fā)現(xiàn)IFT存在于所有具有纖毛的生物中，作為運(yùn)輸工具參與纖毛的形成、解聚和纖毛內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。IFT復(fù)合體分為正向分子復(fù)合體和反向分子復(fù)合體。其中正向復(fù)合體中的一個(gè)蛋白叫IFT88，在衣藻中敲除IFT88基因?qū)е卤廾珶o法形成。在小鼠中存在IFT88的同源蛋白，該蛋白變異（Tg737突變體）導(dǎo)致視網(wǎng)膜的纖毛不能形成、失去視覺，鼻腔中的纖毛不能形成、喪失嗅覺，以及骨骼發(fā)育畸形等缺陷。這又是為什么呢？原來，在這些組織中的纖毛執(zhí)行著重要的感受功能。
人體中存在感受纖毛的主要器官和組織
多囊腎（左）與正常腎（右）比較
小鼠Tg737突變體更加引人注目的病癥是腎表皮細(xì)胞的纖毛不能形成，腎表皮細(xì)胞過度繁殖導(dǎo)致多囊腎。人類也由于兩個(gè)蛋白的變異引發(fā)多囊腎，患病率為0.1%-0.2%。 2004年，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室同時(shí)證明，這兩個(gè)蛋白都位于腎表皮細(xì)胞的纖毛上，其后的研究還發(fā)現(xiàn)在小鼠中能導(dǎo)致多囊腎的突變基因編碼的蛋白都與纖毛有關(guān)，從而提出了多囊腎的纖毛假說：位于腎表皮纖毛的這兩個(gè)蛋白組成復(fù)合體，能感受腎液的流動(dòng)，從而控制腎表皮細(xì)胞的繁殖。這兩個(gè)蛋白的突變，或者纖毛的缺失，都會(huì)失去對(duì)腎表皮細(xì)胞增殖的控制，從而引發(fā)多囊腎。衣藻的纖毛膜上也有與其中一個(gè)蛋白相類似的蛋白，參與調(diào)控纖毛內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)，該蛋白依賴于IFT在纖毛中運(yùn)動(dòng)，這些發(fā)現(xiàn)為研究多囊腎的致病機(jī)理提供了新的方向。
3.利用衣藻來研究纖毛的分泌功能
纖毛的分泌功能首先是在衣藻中發(fā)現(xiàn)的。在衣藻進(jìn)行有絲分裂后期的母細(xì)胞中，子細(xì)胞纖毛可以分泌囊泡至細(xì)胞外，囊泡上攜帶有用來降解母細(xì)胞壁的蛋白水解酶，將母細(xì)胞壁降解后釋放出子細(xì)胞，該發(fā)現(xiàn)證明纖毛可以通過分泌途徑與外界環(huán)境或其他細(xì)胞之間進(jìn)行交流。我們研究組2016年在Current Biology(26: 3327-3335)發(fā)表的研究結(jié)果還證明，纖毛囊泡的組成與纖毛膜不同，存在著特異的蛋白和復(fù)合體，再次證明纖毛囊泡的分泌是主動(dòng)的、受調(diào)控的過程。纖毛囊泡的分泌參與纖毛膜的更新、纖毛解聚和配子的形成以及交配過程。纖毛囊泡不僅能攜帶有活性的酶，還可攜帶與交配相關(guān)的信號(hào)分子，甚至還包括小RNA，參與細(xì)胞間物質(zhì)和信息的交流。
纖毛的分泌功能。衣藻子細(xì)胞的鞭毛能分泌帶有蛋白水解酶的囊泡（紅色的點(diǎn)），消化母細(xì)胞壁，釋放出子細(xì)胞
衣藻中纖毛分泌功能的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步拓展了對(duì)纖毛功能的認(rèn)識(shí)，纖毛不僅是信號(hào)的接收器，同時(shí)也是信號(hào)的發(fā)射器。其后，美國(guó)Mareen Barr實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)線蟲的感受神經(jīng)元可以從其纖毛基部朝細(xì)胞外分泌囊泡，其中攜帶的信號(hào)分子與個(gè)體間的交流及交配行為相關(guān)。錐蟲纖毛可以分泌攜帶毒性因子的纖毛囊泡至胞外，這些纖毛囊泡會(huì)結(jié)合到紅細(xì)胞膜上，導(dǎo)致紅細(xì)胞膜蛋白的改變進(jìn)而引起貧血癥。耶魯大學(xué)Bewersdorf實(shí)驗(yàn)室在超高分辨顯微技術(shù)研究中觀察到，哺乳動(dòng)物細(xì)胞纖毛膜上也有囊泡樣突起。最新在Cell雜志上發(fā)表的研究表明，哺乳動(dòng)物細(xì)胞的初級(jí)纖毛在特定條件下可以分泌囊泡至胞外，參與調(diào)控細(xì)胞周期。這些工作將進(jìn)一步拓寬纖毛分泌功能的研究領(lǐng)域。
4.利用衣藻來篩選治療纖毛病的藥物
纖毛的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)、感受以及分泌功能異常能導(dǎo)致人類疾病包括男性不育、呼吸道疾病、多囊腎、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷、眼盲、耳聾、肥胖癥和癌癥等等，這些疾病統(tǒng)稱為纖毛病。目前還沒有治療纖毛病的藥物。衣藻因其培養(yǎng)簡(jiǎn)單，易于同步化，非常適合建立高通量的藥物篩選方法。目前正嘗試?yán)眯》肿訋?、天然化合物庫以及中藥資源篩選調(diào)控纖毛運(yùn)動(dòng)的候選藥物，用于促進(jìn)精子的運(yùn)動(dòng)，治療不育癥，或者用于抑制精子的運(yùn)動(dòng)達(dá)到控制生育的目的；同樣，也可以利用衣藻篩選治療多囊腎和其他纖毛病的藥物。
利用衣藻這種模式生物不僅促進(jìn)我們深入了解纖毛的形成與解聚的機(jī)理，還可揭示纖毛病發(fā)生的遺傳基礎(chǔ)和分子機(jī)理，獲得治療纖毛病的候選藥物，對(duì)纖毛病的預(yù)防、診斷和治療提供依據(jù)。這些例證再次表明，像衣藻、斑馬魚和線蟲這樣的模式生物，對(duì)于人類健康研究有著重要的意義。
