Neprilysin 4通过调控果蝇顶体结构与精子尖端分区控制雄性生育力

《Communications Biology》：Neprilysin 4 controls acrosome structure and male fertility in Drosophila melanogaster

本研究针对Neprilysin 4（Nep4）在雄性生育中的作用机制展开研究。研究人员通过CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了内源性mNeonGreen标记的Nep4果蝇品系，结合显微成像、蛋白质组学及超微结构分析，发现Nep4定位于精子顶体，其酶活性对维持顶体形态结构和精子尖端分区至关重要。功能缺失导致顶体缩短（从2.98μm降至1.84μm）、体积减小（从0.18μm3降至0.12μm3），并引发精子糖萼分布异常，最终造成精子在雌体储存时间缩短（交配后8小时残留率54%）、受精能力丧失和胚胎发育启动失败。该研究首次揭示了金属蛋白酶通过调控顶体形态保障雄性生育的新机制，为哺乳动物乃至人类生殖障碍研究提供了新视角。

　　

在生命繁衍的精密舞台上，精子作为雄性生育力的关键执行者，其形态和功能的完整性至关重要。其中，顶体（acrosome）作为位于精子头部的特化细胞器，在受精过程中扮演着“先锋”角色，通过释放水解酶帮助精子穿透卵子透明带。然而，顶体形态发生和稳态维持的分子调控网络仍存在大量空白。在模式生物黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）中，此前研究发现金属蛋白酶Neprilysin 4（Nep4）的功能缺失会导致雄性不育，但其具体作用机制和亚细胞定位一直成谜。类似地，小鼠Nep2缺陷也会导致雄性生育力下降，但机理同样不明。这些现象提示，Neprilysin家族蛋白酶可能在进化上保守地参与了雄性生殖调控，解析其具体功能对于理解生育机制具有重要意义。

为解开这一谜团，由Annika Buhr、Maike Spielmeyer等研究人员领衔的团队在《Communications Biology》上发表了最新研究成果。他们通过多维度的实验证据，揭示了Nep4是维持顶体结构和精子尖端分区的关键分子，其功能失常会通过破坏顶体形态导致雄性不育。

研究人员综合运用了多项关键技术方法：利用CRISPR/Cas9辅助的同源重组技术构建了内源性表达Nep4::mNeonGreen融合蛋白的果蝇品系；通过体外酶活实验验证了蛋白质功能；采用免疫荧光染色、相关光电子显微镜（CLEM）和连续块面扫描电镜（SBF-SEM）进行亚细胞定位和超微结构分析；利用生殖细胞特异性启动子（bam-Gal4）进行基因敲降；并通过精子计数、卵子受精状态分析等评估雄性生育力表型。

Homozygous Nep4::mNG flies are male sterile

研究人员发现，纯合Nep4::mNG（Nep4::mNG^homo）果蝇虽然能正常存活，但雄性完全不育（后代平均数0.4），而杂合子（Nep4::mNG^hetero）生育力正常（31个后代）。生殖细胞特异性nep4敲降雄蝇也出现显著生育力下降（14.4个后代），证明不育表型源于Nep4功能丧失而非脱靶效应。

Nep4::mNG exhibits impaired catalytic activity

生化实验证实，C端融合mNeonGreen（27 kDa）会使Nep4酶活完全丧失，而小分子His标签则不影响活性，表明大标签破坏了酶活性中心构象。

Nep4 is present in developing spermatids and localizes to the apical tip of individualized sperm

Nep4::mNG信号在精子发生（spermiogenesis）过程中特异定位于发育中精细胞的顶端，与反式高尔基体标记Golgin245共定位，并在成熟精子中集中于顶体区域。值得注意的是，纯合子精子中Nep4::mNG信号呈球形，而杂合子中为野生型的杆状，提示顶体形态异常。

Nep4 localizes to the acrosome and is crucial to organelle morphology

CLEM和共定位实验（与顶体蛋白Sneaky::GFP对比）直接证实Nep4定位于顶体前部。纯合子精子中Nep4与Snky信号重叠区域增加，顶体分区模糊。

Nep4 activity is essential to acrosome integrity and sperm tip structure

通过荧光信号强度定量分析发现，野生型精子中Nep4、Snky、小麦胚凝集素（WGA）标记的糖萼和细胞核DAPI信号沿精子尖端呈有序分布（覆盖约3μm），而纯合子或敲降精子中这些信号重叠严重，分布范围缩至2μm，且细胞核位置前移，表明顶体区域压缩和膜结构紊乱。

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Impaired Nep4 function affects acrosomal size and morphology at the ultrastructural level

SBF-SEM三维重建定量显示，突变体顶体长度（1.84-1.98μm vs 2.98μm）、体积（0.12-0.13μm3 vs 0.18μm3）显著减小，而直径增大（0.50-0.56μm vs 0.44μm），且前部形态异常，后部与核接触区相对正常，说明Nep4主要影响顶体前部结构。

Impaired Nep4 function affects sperm storage, fertilization, and initiation of embryonic development

功能上，Nep4缺陷精子在雌体储精囊中滞留时间缩短（交配后8小时残留率54%），且虽能进入卵子（31%卵子含凝缩精子核），但均无法启动胚胎发育。6%的卵子中可见伴随精子核的Nep4::mNG信号，提示顶体结构残留，但仍无法支持发育。

本研究首次阐明Neprilysin家族蛋白酶在顶体形态构建中的关键作用。Nep4通过其酶活调控顶体内部肽段稳态，从而维持顶体分区、精子尖端结构和表面糖萼分布。功能缺失导致顶体压缩变形、精子储存和受精能力丧失，类似人类球形精子症（globozoospermia）但表型较轻。Pull-down实验未发现Nep4直接结合细胞骨架蛋白，提示表型源于底物肽段积累引发的次级效应（如渗透压失衡或异常相互作用）。该研究不仅揭示了昆虫雄性生育的新调控轴，也为理解哺乳动物Nep2相关生育障碍提供了机制线索，为生殖医学研究开辟了新方向。