在哺乳動物中，精子與卵子為遺傳物質(zhì)的傳遞提供了載體。對于雄性個體而言，生精細胞歷經(jīng)有絲分裂、減數(shù)分裂以及最后的形變才能發(fā)育為成熟精子。
然而，精子形成過程中仍有許多謎題尚未破解。遺傳突變和基因表達異常，更是導致男性不育的重要病因。
近日，中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心（生物化學與細胞生物學研究所）劉默芳研究組與上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院黃旲研究組及國內(nèi)外多家實驗室合作研究發(fā)現(xiàn)，RNA結合蛋白FXR1可通過液-液相分離激活小鼠后期精子細胞中mRNA的翻譯，保障精子形成過程的正常進行。該成果于北京時間8月12日凌晨在線發(fā)表于國際學術期刊《科學》。
該科學成果發(fā)布于Science雜志。本文圖片中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心 供圖法國人類遺傳研究所Martine Simonelig教授在隨刊配發(fā)的展望評論中指出，“該研究發(fā)現(xiàn)了生物分子凝集翻譯激活的新功能，并進一步揭示了FXR1相分離能力對于小鼠精子發(fā)生的重要性?！?/p>
在精子細胞形變過程中，隨著細胞核被逐步壓縮，基因組的轉錄活動將逐漸降低直至完全停止。后期精子細胞發(fā)育所需基因需提前轉錄為信使核糖核酸（mRNA），然后以接近于“休眠”的翻譯抑制狀態(tài)儲存起來，至特定發(fā)育階段再被激活翻譯，合成蛋白質(zhì)發(fā)揮功能。但這些后期精子細胞中儲存的mRNA如何被翻譯激活，科學家們對其中的機制還知之甚少。
研究團隊以小鼠為模式動物展開此項研究。研究發(fā)現(xiàn)，一個RNA結合蛋白FXR1在小鼠睪丸中特異性高表達，并且大量出現(xiàn)在后期精子細胞的蛋白質(zhì)翻譯機器中。
在生殖細胞中敲除Fxr1基因后，小鼠睪丸中與FXR1結合的mRNA翻譯活性降低、蛋白表達明顯減少；小鼠則表現(xiàn)為無精、雄性不育。
進一步研究發(fā)現(xiàn)，精子細胞中FXR1與多個翻譯相關因子存在相互作用，并在體內(nèi)形成一種動態(tài)且可招募大量mRNA的液滴結構。
現(xiàn)有理論認為，此類液滴結構通常是某些生物大分子（如蛋白質(zhì)或核酸）在細胞內(nèi)達到一定濃度后，形成獨立于周圍環(huán)境的無膜亞細胞器結構，以執(zhí)行特定生化反應或生物學過程，其形成過程稱之為液液相分離，該現(xiàn)象普遍存在于真核生物細胞。隨后，通過體外實驗證明，F(xiàn)XR1具有顯著的液液相分離能力。研究人員由此推測，F(xiàn)XR1可能通過液液相分離形成上述液滴結構，進而參與mRNA的翻譯激活過程。
為了驗證這一猜想，研究人員在體外培養(yǎng)細胞和體內(nèi)精子細胞中分別測試了FXR1液滴形成能力與mRNA翻譯活性的關系。
研究結果顯示，破壞FXR1的液滴形成能力將導致mRNA翻譯活性降低。隨后，研究人員利用CRISPR-Cas9結合半克隆技術，進一步將小鼠生殖細胞中的FXR1突變?yōu)闊o法形成液滴的FXR1變體，發(fā)現(xiàn)該小鼠生精細胞中mRNA的翻譯活性明顯降低，小鼠表現(xiàn)為無精、雄性不育。
該研究揭示了小鼠后期精子細胞中由FXR1液液相分離介導的mRNA翻譯激活新機制，有助于進一步認識復雜的精子發(fā)生過程，為男性不育診斷和治療提供理論依據(jù)。
科研團隊集體合照該研究由分子細胞卓越中心劉默芳研究組與上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院黃旲研究組合作完成。分子細胞卓越中心康俊炎博士、溫澤博士、博士生潘舵和鐘艾，新華醫(yī)院張玉涵博士，分子細胞卓越中心李慶博士和武漢大學博士生于興海為該論文的共同第一作者。
研究得到了美國加州大學圣地亞哥分校付向東教授，分子細胞卓越中心李勁松研究員、李黨生研究員和茍?zhí)m濤研究員，武漢大學周宇教授，南京醫(yī)科大學郭雪江教授，上海市計劃生育科學研究所施惠娟研究員，美國貝勒醫(yī)學院David L. Nelson教授等的大力協(xié)助，同時得到科技部、基金委、中科院及上海市科委等經(jīng)費資助和分子細胞卓越中心GTP中心、分子生物學技術平臺、細胞分析技術平臺、動物實驗技術平臺等技術平臺的支持。