2021 年 1 月 8 日，这期 Science 的封面图是一个打转的精子。上面发表了一篇标题为《微管蛋白糖基化控制轴丝动力蛋白活性、鞭毛搏动和男性生育能力》的论文。

　　图｜Science封面：打转的精子

　　这项新的研究表明，微管蛋白被特殊的酶进行修饰，这种修饰叫做微管蛋白糖基化。而微管蛋白糖基化是让精子保持直线游动的关键。这些发现提示我们：微管蛋白糖基化受到干扰，可能是男性不育症的根源。

　　微管蛋白糖基化通过何种内在机制影响男性生育力呢？微管蛋白糖基化控制轴丝动力蛋白活性、鞭毛搏动和男性生育能力，以上这些发现，对人类来说意味着什么呢？

　　大胆假设：微管蛋白糖基化＆男性生育力，关系密切

　　这一切，还得从男性生育力和微管蛋白糖基化的关系说起。有人可能会产生疑问，两者之间，有关系吗？那我们就先了解一下，什么是男性生育力？什么是微管蛋白？什么又是微管蛋白糖基化？以及最重要的——两者之间的关系。

　　图｜精子结构

　　男性生育力是指男性产生精子以及精子受精的能力，此处我们只介绍与研究相关的“精子受精”能力。精子受精是指，在男性射精完成后，数亿精子从阴道到宫颈，再从宫颈到输卵管，最后进入输卵管中的卵子的过程。数亿精子中，只要有一个精子成功进入卵子，形成受精卵，受精就算成功了。

　　男性射精后，精子需要奋力向前，才有可能见到卵子。精子到卵子的路程，大概有 18cm，精子每游动 1cm，尾巴需要摆动 1000 多次。精子成功见到卵子之前，它的尾巴要摆动约 2 万次。有研究表明，精子成功游完这段历程，相当于一个身高 170cm 的人，持续不停地游泳 5km。

　　一个精子，只有不停地奋勇向前，还要侥幸躲过宫颈黏液的杀害、避开白血球的吞噬、奔向输卵管时选择有卵子的那个，只有这样，才有可能完成受精。无论如何，这一路它都要奋勇向前，毫不懈怠地摆动自己的长尾巴，不遗余力地向前游动。

　　我们身体中大多数细胞中，有一种伸出的天线状结构，它们就叫做纤毛和鞭毛。纤毛和鞭毛，含有许多微管。精子的尾巴就是鞭毛，它是雄性生育的重要条件，因而也是有性繁殖的重要条件。研究发现，在精子受精过程中，鞭毛必须以非常精确和协调的方式跳动，才能使精子向着卵子游动。换言之，如果男性精子的鞭毛无法有节奏地跳动，促使精子游向卵子形成受精卵，就会导致男性不育。

　　精子的尾巴是一种鞭毛，鞭毛中含有许多微管，微管是由一种叫做微管蛋白的蛋白质组成的小管。组成微管的微管蛋白，可以被酶修饰。也就是说， 鞭毛上的微管蛋白可以被酶修饰，其中有一种酶的修饰叫做“糖基化”，微管蛋白被这种酶修饰的过程，就叫做微管蛋白糖基化。

　　对于纤毛和鞭毛来说，微管蛋白糖基化可能是必不可少的，但关于微管蛋白糖基化的作用我们研究甚少；关于它的作用机制，我们仍然不太了解，且尚无权威的试验和研究数据。

　　但研究者们想，纤毛和鞭毛上的微管蛋白糖基化，一定有它存在的作用。结合已有的研究成果，他们大胆假设：微管蛋白的糖基化可能通过某种机制，来影响男性的生育能力。为了弄清楚微管蛋白糖基化控制男性生育力的内在机制，研究者们设计了一个实验。

　　科学求证：小鼠实验证明，微管蛋白糖基化控制轴丝动力蛋白活性、鞭毛搏动和男性生育能力

　　研究团队：来自法国巴黎居里研究所、巴黎科钦研究所、德国马克斯-普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所、波恩大学和意大利米兰人类技术中心等研究机构的研究人员，主要研究人员有：

　　论文第一作者、巴黎居里研究所的 Sudarshan Gadadhar

　　论文共同通讯作者、巴黎居里研究所研究员 Carsten Janke

　　论文共同通讯作者的马克斯-普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所的 Gaia Pigino

　　欧洲高级研究中心的 Luis Alvarez

　　图｜正常的精子鞭毛中，微管蛋白富含甘氨酸化修饰（绿色显示）；但基因缺陷小鼠的精子鞭毛中缺少这种“标签”（来源：science）

　　实验原理：已有研究表明，微管蛋白酪氨酸连接酶样（TTLL）家族的两种酶—— TTLL3 和 TTLL8，是哺乳动物微管蛋白糖基化的关键。为了研究糖基化在这些细胞器功能中的作用，研究团队制作了一组缺乏两种糖基化酶(Ttll3−/−Ttll8−/− )的双基因敲除小鼠。观察微管蛋白糖基化缺乏小鼠生理上的改变，就能帮助研究糖基化在这些细胞器功能中的作用。

　　图｜计算机辅助分析光学显微镜数据显示，正常精子的运动路线“勇往直前”（顶部），而突变型精子以打圈的方式运动（来源：science）

　　实验分析：

　　糖基化缺乏小鼠生育能力低。尽管缺乏两种糖基化酶的小鼠中，不存在糖基化，但它们在生物体和组织水平。没有明显缺陷。如，小鼠脑室的室管膜纤毛和呼吸道纤毛活动正常；精子鞭毛的组装也正常；精子能游泳。然而，体外生育力测定显示，糖基化缺乏的雄性小鼠的生育力较低。

　　缺乏糖基化导致小鼠鞭毛（精子的尾巴）搏动模式紊乱，使精子游动路径呈环形，降低了受精能力。研究团队在计算机辅助下，对小鼠精子进行分析，结果显示，糖基化缺乏小鼠的精子运动存在缺陷。经过进一步分析，研究团队发现，缺乏糖基化导致鞭毛搏动模式紊乱，导致小鼠的精子主要沿着环形路径游动。这种不正常的环形游动路径，干扰了精子到达卵母细胞进行受精的能力。

　　正如论文第一作者、巴黎居里研究所的 Sudarshan Gadadhar 的解释，“精子鞭毛的核心是由微管组成的，还有数以万计的称为动力蛋白（dynein）的微小分子马达，这些分子马达使得这些微管有节奏地弯曲，从而产生一波又一波的运动和转向。这些动力蛋白的活动必须是紧密协调的。在没有糖基化的情况下，它们变得不协调，结果就是我们突然看到精子在绕圈游动。”

　　图｜超微结构显示，微管蛋白缺少甘氨酸化修饰时，“分子马达”动力蛋白的构象发生异常，阻碍了鞭毛的正常跳动（来源：science）

　　为了确定这种异常鞭毛搏动的分子机制，研究团队使用了冷冻电子断层扫描，结果显示：糖基化缺乏小鼠精子的整体组装没有畸变。但它们鞭毛中的内外动力蛋白臂（ODAs 和 IDAs）结构都受到干扰。糖基化缺乏小鼠精子的 ODAs 和 IDAs 在大功率电击前后，构象的发生率和分布发生了改变。这些超微结构的发现表明：糖基化对于有效控制动力蛋白动力敲击周期，是必不可少的；而动力蛋白动力敲击周期，是鞭毛搏动所必需的。

　　正如论文共同通讯作者、巴黎居里研究所研究员 Carsten Janke 所说，“我们在微管缺乏糖基化的小鼠的精子上观察到了功能性缺陷，从而导致生育能力下降。由于作为模型系统的小鼠已知具有强大的生育能力，人类的类似缺陷可能会导致男性不育。”

　　图｜微管蛋白糖基化控制精子运动（来源：science）

　　实验总结论：微管蛋白糖基化控制轴丝动力蛋白活性、鞭毛搏动和男性生育能力。糖基化对纤毛和鞭毛的形成不是必需的，但它协调了精子鞭毛的节拍波形，这种活动是进行性精子游动和男性生育的先决条件。微管蛋白缺乏糖基化，会扰乱轴丝动力蛋白构象的分布，从而导致鞭毛搏动缺陷，进而影响男性生育力。

　　重视微管蛋白修饰功能，帮助我们深入了解多种疾病

　　医学超微结构的研究，与对广阔无际宇宙的探索一样，都需要大胆假设，小心求证，精细实验。正是研究团队求真务实的精神，才发现微管蛋白糖基化通过对蛋白质的修饰，在细胞活动中起着积极作用。

　　这项研究成果为我们了解和解决多种疾病，提供了一个全新的正确方向。正因它开拓性意义和价值，使其登上 Science 期刊封面。所有参与研究的专家和学者都值得我们敬佩，正是他们的探索和求证精神，搭建了生物医学进步的阶梯。

　　正如参与研究的 Gaia Pigino 和 Luis Alvarez 所总结的那样，“这项研究表明糖基化对鞭毛的动力蛋白的控制至关重要，是微管修饰影响其他蛋白的功能的一个典型例子。我们的研究结果提供了直接的证据，表明微管通过微管蛋白修饰的密码，在调节基本生物过程中，起着积极的作用。此外，这项研究还指出了男性不育症的一个新机制……我们的研究为深入了解多种疾病打开了一扇门，如发育障碍、癌症、肾脏疾病或呼吸疾病和视觉疾病。”