4月2日，国际学术期刊 Molecular Cell 在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）丛尧研究员、朱学良研究员，上海交通大学医学院附属新华医院鄢秀敏研究员，中国科学院生物物理研究所孙飞研究员以及中国科学院大连化学物理研究所张丽华研究员的最新合作研究成果：“Chaperonin TRiC bridges radial spokes for folding locally translated proteins to sustain mammalian sperm flagellar motility”。该研究结合冷冻电镜、原位冷冻电子断层扫描、原位交联质谱和功能实验，揭示哺乳动物精子鞭毛轴丝中连接辐射轴RS1与RS2的桶状结构是精子特异性的TRiC伴侣素复合体，并证明精子鞭毛内存在蛋白质原位翻译，且该TRiC促进新生蛋白质的折叠并为鞭毛运动性所需，提出哺乳动物精子鞭毛通过蛋白质“原位翻译—原位折叠”进行自我维护来维持持久运动能力的新机制。
精子的鞭毛（flagellum）是一种高度特化的动纤毛，其核心结构是典型的“9+2”型轴丝（axoneme）：9组外周二联体微管环绕一对中央微管 。二联体微管上排列着由内、外动力臂和辐射轴（radial spoke, RS）复合体组成的重复结构单元，与中央器协调驱动鞭毛快速摆动，从而驱使精子前进。约10%的胞质蛋白，包括构成鞭毛骨架的微管蛋白和肌动蛋白，依赖真核生物分子伴侣素TRiC（又称CCT）协助折叠。TRiC是一个大型双环ATP酶复合体。分子伴侣功能异常也与男性不育相关。由于生命诞生于水中，早期动物均为体外受精（external fertilization），精子只需短时间游动。然而，陆生脊椎动物普遍采用体内受精（internal fertilization），这一转变对精子的运动能力和耐力提出了更高要求。在哺乳动物中，精子需长时间维持运动能力，以穿过粘稠的雌性生殖道抵达卵子。因此，哺乳动物精子如何演化出这种长期运动能力，一直是重要的科学问题；其精子鞭毛如何在持续机械运动中长期保持功能，亦缺少清晰的分子解释。
此前，冷冻电子断层扫描（cryo-ET）研究发现，哺乳动物精子鞭毛轴丝比上皮组织动纤毛轴丝在辐射轴RS1与RS2之间多出一个桶状密度（RS1-RS2 barrel, RRB），且该密度在斑马鱼、海胆等体外受精动物的鞭毛中不存在。研究团队通过非标记定量质谱分析牛和小鼠精子鞭毛，发现分子伴侣素TRiC的全部8个亚基（CCT1-CCT8）均富集于鞭毛中，且存在睾丸特异性亚基CCT6B。团队随后解析了牛精子鞭毛TRiC的冷冻电镜（cryo-EM）结构，显示其具有典型的TRiC双环八聚体构象，并同时包含CCT6A和CCT6B，表明精子鞭毛中存在一种特异性的TRiC复合体。
进一步利用冷冻聚焦离子束减薄（cryo-FIB）结合cryo-ET技术，团队解析了小鼠精子鞭毛轴丝96纳米重复单元的原位结构，确认RRB即为TRiC。它通过三个连接网络以特定极性锚定于RS1与RS2之间，并与内、外动力臂及N-DRC等关键运动调控元件有联系。这种多重锚定方式不仅保证TRiC在鞭毛高速摆动中的稳定性，也可能通过影响上述轴丝运动调控组分，参与调控鞭毛运动。原位RRB-TRiC的两个腔室均出现了额外密度，其中靠近RS2侧的密度类似经典底物（微管蛋白/肌动蛋白）的结合位点，靠近RS1侧的密度则与辅因子Plp2位置相符，说明原位RRB-TRiC并非静息构象，而是处于“底物接收/折叠准备”的活性状态。
研究团队还在牛和小鼠鞭毛中检测到核糖体、翻译起始因子及氨酰-tRNA合成酶等翻译机器的组分。嘌呤霉素（puromycin）代谢标记实验进一步证实，小鼠鞭毛内存在新生多肽链合成，且断头鞭毛中仍可检测到嘌呤霉素掺入，从而强有力地支持了鞭毛内“原位翻译”的存在。细胞内交联质谱显示，TRiC亚基和核糖体亚基均与多种轴丝结构蛋白发生交联，且存在交集。这些结果支持在鞭毛中翻译出的新生轴丝蛋白由RRB-TRiC接手折叠的偶联机制。
为验证RRB-TRiC的生理功能，团队靶向抑制TRiC的ATP酶活性，发现可显著抑制小鼠精子鞭毛摆动，但不影响缺乏RRB结构的斑马鱼精子运动，证实TRiC对维持哺乳动物精子运动具有重要作用。基于此提出：在持续机械运动中受损的轴丝组分可通过鞭毛内原位合成、邻近TRiC捕获并折叠的方式及时替换，从而维持鞭毛长期稳定摆动。
综上，该研究赋予了哺乳动物精子鞭毛特有RRB结构明确的分子身份与功能内涵，解释了哺乳动物精子“长续航”运动的结构基础，为理解伴随脊椎动物登陆而出现的、繁殖方式从体外受精到体内受精的转变中，精子鞭毛的适应性演化机制提供了新见解，并提示TRiC功能异常或鞭毛内局部翻译与折叠受损可能影响精子运动能力并导致男性不育。
分子细胞卓越中心博士生蒙学明、李娈、林铖，中国科学院生物物理研究所朱赟研究员、上海交通大学医学院附属新华医院助理实验师封严严和中国科学院大连化学物理研究所赵群研究员为该研究的共同第一作者。分子细胞卓越中心丛尧研究员、朱学良研究员，上海交通大学医学院附属新华医院鄢秀敏研究员，中国科学院生物物理研究所孙飞研究员和中国科学院大连化学物理研究所张丽华研究员为该研究的共同通讯作者。该工作得到了分子细胞卓越中心细胞分析技术平台和分子生物学技术平台的大力支持。该研究得到了中国科学院、国家自然科学基金委、国家科技部等的经费支持，并得到国家蛋白质科学研究（上海）设施的冷冻电镜系统、质谱系统、数据库与计算分析系统和蛋白质表达纯化系统等平台的大力支持。
文章链接：https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(26)00161-9
哺乳动物精子鞭毛中“原位翻译-原位折叠蛋白质”的偶联模型
