著名学者庄小威Cell解析精子精细结构

来自哈佛大学，波士顿儿童医院等处的研究人员利用遗传学，超高分辨率荧光显微镜，以及磷酸蛋白质组学等研究技术，破解了精子中一种关键离子通道：CatSper的结构特征，这将有助于解析鞭毛的信号传递级联放大过程。

　　生物通报道：来自哈佛大学，波士顿儿童医院等处的研究人员发表了题为“Structurally Distinct Ca2+ Signaling Domains of Sperm Flagella Orchestrate Tyrosine Phosphorylation and Motility”的文章，利用遗传学，超高分辨率荧光显微镜，以及磷酸蛋白质组学等研究技术，破解了精子中一种关键离子通道：CatSper的结构特征，这将有助于解析鞭毛的信号传递级联放大过程。

文章的通讯作者之一是著名的华裔女科学家，哈佛大学庄小威（Xiaowei Zhuang）教授，庄教授早年毕业于中国科技大学少年班，34岁的时候就成为了哈佛大学正教授，并入选了2013年公布的84位新晋美国科学院院士名单，她的当选刷新了最年轻美国科学院华人院士的纪录，可谓是传奇式人物。

我们都知道，精子需要游动离开机体，航行很长的一段距离，最终将其携带的亲代DNA信息传递到成熟的卵细胞中去。对于精子而言，要完成这样一个复杂的过程，精子特异性钙离子通道必不可少，这些通道被哺乳动物鞭毛激活之后，能帮助成功完成航行和信息传递。

CatSper(cation channel of sperm，精子特异性阳离子通道)就是其中一类离子通道，这一类通道共有4个成员(CatSpers 1-4)，其中CatSper1是2001年发现的第一个CatSper家族成员。

最早出现编码CatSper的基因是在单鞭毛虫体内，这表明精子很久以前就已经适应了这种单细胞航行的移动方式。在这篇文章中，研究人员通过遗传学，超高分辨率荧光显微镜，以及磷酸蛋白质组学研究技术，分析了这种鞭毛开关中依赖于CatSper的分子机制。

研究人员发现精子中四个线性钙离子结构域都需要CatSper通道，这些结构域能组织鞭毛中的信号蛋白。当精子需要受精的时候，这种独特的结构能在时间和空间上集中酪氨酸磷酸化，并且在异质精子群中，研究人员发现了独一无二的分子表型，其中只有具有完整CatSper结构域的精子，才能成功进行移动，这些结构域的作用就是帮助组织特殊时间空间里特殊蛋白酪氨酸磷酸化。

这些研究发现有助于解释鞭毛的适应演化过程，也有助于解析鞭毛的信号传递级联放大，以及精子的生育能力。

这项研究采用了超高分辨率荧光显微镜技术，这种技术是庄小威等人于2005年研发出的一种能够几百次地反复在各种颜色的光照下使用的，驱动为荧光态和暗态的发光分子团，从而得到了比传统光学显微镜高10倍以上分辨率的显微技术。利用这种技术，能表现组织或细胞更加细微的结构。

相比于光学显微技术由于受到衍射极限的限制，分辨率通常为几百个纳米左右，STORM技术采用光转换荧光探针，在时间上分离相互重叠发光的荧光分子，然后重构得到高分辨率图像。应用这一想法，分子复合物，细胞及组织的二维，三维多色荧光成像的分辨率可达到数十纳米。这一技术可以记录纳米尺度的细胞内分子间相互作用及组织内细胞间的相互作用。

（生物通：张迪）

原文摘要：

Structurally Distinct Ca2+ Signaling Domains of Sperm Flagella Orchestrate Tyrosine Phosphorylation and Motility

Spermatozoa must leave one organism, navigate long distances, and deliver their paternal DNA into a mature egg. For successful navigation and delivery, a sperm-specific calcium channel is activated in the mammalian flagellum. The genes encoding this channel (CatSpers) appear first in ancient uniflagellates, suggesting that sperm use adaptive strategies developed long ago for single-cell navigation. Here, using genetics, super-resolution fluorescence microscopy, and phosphoproteomics, we investigate the CatSper-dependent mechanisms underlying this flagellar switch. We find that the CatSper channel is required for four linear calcium domains that organize signaling proteins along the flagella. This unique structure focuses tyrosine phosphorylation in time and space as sperm acquire the capacity to fertilize. In heterogeneous sperm populations, we find unique molecular phenotypes, but only sperm with intact CatSper domains that organize time-dependent and spatially specific protein tyrosine phosphorylation successfully migrate. These findings illuminate flagellar adaptation, signal transduction cascade organization, and fertility.