秀丽隐杆线虫spe-21基因编码的棕榈酰转移酶在精子形成中的关键作用及其分子机制

本研究揭示了秀丽隐杆线虫spe-21/dhhc-5基因编码的棕榈酰转移酶（PAT）通过调控膜细胞器（MO）融合与伪足形成，在精子激活（spermiogenesis）中的核心作用。研究人员利用基因编辑、显微成像等技术，证实SPE-21定位于MO，其缺失导致精子完全丧失受精能力，为理解蛋白质棕榈酰化修饰在生殖细胞功能中的机制提供了新视角。

　　

在生命繁衍的奥秘中，精子如何从圆形静止的 spermatid（精细胞）转变为具有运动能力的 spermatozoa（精子）一直是发育生物学的核心问题。秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）作为模式生物，其精子形成过程涉及独特的膜细胞器（membranous organelles, MOs）与质膜融合事件，这一过程与哺乳动物的顶体反应功能相似，但分子机制尚未完全阐明。尤其令人困惑的是，在减数分裂完成后，精子发生的基因表达完全停止，所有后续变化仅依赖预先合成的蛋白质和翻译后修饰，其中蛋白质棕榈酰化（palmitoylation）的作用尤为关键却研究不足。

美国罗格斯大学瓦克斯曼研究所（Waksman Institute, Rutgers University）的研究团队针对这一科学问题，聚焦于一个含有DHHC-CRD（半胱氨酸富集域）锌指模体的棕榈酰转移酶（palmitoyltransferase）基因spe-21（又称dhhc-5）。通过构建多种突变体（包括温度敏感型as41ts、剪接突变hc113ts和CRISPR敲除syb4299），结合荧光标记（mNeonGreen）、膜融合染料FM 1-43标记和共聚焦显微成像等技术，系统研究了该基因在精子形成中的功能。

关键技术方法包括：1）利用全基因组测序定位突变位点；2）通过CRISPR/Cas9构建spe-21::mNG荧光标记株和基因敲除株；3）体外精子激活实验（使用Pronase E和ZnCl₂处理）；4）膜融合FM 1-43染色与超分辨显微成像；5）免疫共定位（1CB4抗体标记MOs）。

研究结果分为五个核心发现：

1. 分子克隆与基因特征：spe-21编码含4个跨膜域的PAT蛋白，其DHHC活性位点位于胞质侧，突变体（如C87Y、C98F）因破坏锌离子结合而完全丧失功能。

2. 生殖表型分析：spe-21突变体在16°C-25°C均表现为严重不育，雄性精子无法迁移至受精囊，证实其精子特异性功能缺陷。

3. 精子激活缺陷：突变体spermatid在体内外均无法形成伪足，且MOs与质膜融合完全受阻（FM 1-43染色显示无内化信号）。

4. 亚细胞定位：SPE-21::mNG定位于MOs，与已知MO标记物1CB4共定位（Pearson系数0.408），提示其直接参与MO成熟或融合。

5. 进化保守性：SPE-21与人类zDHHC20/斑马鱼zfDHHC15结构高度重叠，但特有的PaCCT模体可能决定其底物特异性。

讨论与意义：

本研究首次阐明SPE-21作为MO驻留的PAT，通过棕榈酰化修饰关键底物（可能是SNARE或其他融合相关蛋白），直接调控MOs与精子质膜的融合及伪足形成。这一发现不仅填补了精子激活中膜重塑机制的空白，还为理解哺乳动物（如小鼠zDHHC19）精子顶体反应提供了新线索。从转化医学角度看，人类同源基因zDHHC21的突变可能与男性不育相关，而PAT抑制剂可能成为新型避孕药物的靶点。

论文的创新性体现在：1）发现首个同时调控MO融合和伪足形成的PAT基因；2）建立MO融合的活细胞成像方法；3）提出蛋白质棕榈酰化在生殖细胞膜动力学中的普适性机制。未来研究可通过质谱鉴定SPE-21的底物蛋白，并探索其与已知精子激活通路（如spe-8类基因）的协同作用。该成果发表于《Desalination》，为生殖生物学和翻译医学提供了重要理论依据。