琥珀酰化修饰通过重编程葡萄糖代谢调控公猪精子线性运动的新机制

本研究针对精子保存过程中能量代谢调控机制不明的关键问题，通过揭示琥珀酰化修饰（succinylation）对丙酮酸激酶M2（PKM2）的调控作用，阐明了低葡萄糖环境下精子从糖酵解向磷酸戊糖途径（PPP）和氧化磷酸化（OXPHOS）的代谢重编程机制。研究人员发现PKM2琥珀酰化促进其线粒体转位，通过增强VDAC3相互作用提高线粒体通透性，最终提升精子线性运动能力。该成果为优化精子保存技术提供了新靶点，发表于《Communications Biology》。

　　

在动物繁殖领域，精子运动能力的维持是受精成功的关键因素。公猪精子作为一种特殊的细胞模型，其运动模式会随着雌性生殖道微环境的变化而动态调整——从子宫中的线性运动转变为输卵管中的环形运动。这种运动模式的转变背后隐藏着精妙的能量代谢调控机制：在低葡萄糖环境中，精子主要依赖线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）维持线性运动；而在高葡萄糖环境下则转向糖酵解途径支持环形运动。然而，这种代谢转换的分子调控机制长期以来是未解之谜。

发表在《Communications Biology》的这项研究首次揭示了琥珀酰化修饰（succinylation）在这一过程中的核心调控作用。研究人员通过建立高/低葡萄糖培养系统，结合琥珀酸（SA）和去琥珀酰化激活剂白藜芦醇（RES）的干预实验，系统研究了PKM2琥珀酰化对精子代谢途径和运动特性的影响。

研究采用的关键技术包括：计算机辅助精液分析（CASA）定量精子运动参数；免疫共沉淀结合Western blot检测蛋白相互作用和修饰；线粒体分离技术分析PKM2亚细胞定位；流式细胞术测定线粒体膜电位和通透性转换孔（MPTP）开放程度；以及系列酶活检测（LDH、PK、6PGD等）。实验样本采用成年杜洛克公猪新鲜精液，通过Modena稀释液构建不同葡萄糖浓度（153mM HG/30.6mM LG）的体外培养体系。

【Effects of different extenders on sperm motility and succinylation modification】

研究发现低葡萄糖（LG）培养显著提高精子前向运动率（PM）和直线速度（VSL），运动轨迹分析显示线性运动比例增加。补充3mM SA可增强高葡萄糖（HG）组的运动参数，而100μM RES则抑制LG组的运动能力。Western blot证实LG环境降低整体琥珀酰化水平，但SA处理可逆转这一趋势。

【Effects of different extenders on PK activity and succinylation modification of PKM2 in boar sperm】

免疫荧光显示PKM2主要定位于精子尾部主段。酶活检测发现HG组丙酮酸激酶（PK）活性最高，而LG组与新鲜精液相当。关键发现是免疫共沉淀显示LG组PKM2琥珀酰化水平显著升高，这种修饰不依赖于整体琥珀酰化水平变化。

【Reducing glucose concentration promotes mitochondrial translocation of PKM2】

亚细胞定位研究发现LG培养促使PKM2从尾部主段向线粒体转位。线粒体组分分离证实LG组线粒体PKM2含量显著高于HG组，且存在分子量差异的PKM2亚型。

【Effect of different extenders on the glycolysis pathway in boar sperm】

代谢分析显示LG组乳酸脱氢酶（LDH）活性、磷酸果糖激酶（PFK）活性和乳酸水平均显著降低，表明糖酵解途径被抑制。SA处理可增强HG组的这种抑制效应，而RES则逆转LG组的抑制效果。

【Effect of different extenders on mitochondrial permeability and function in boar sperm】

VDAC3（电压依赖性阴离子通道3）被鉴定为PKM2的相互作用蛋白。LG组显示更强的PKM2-VDAC3结合、更高的线粒体通透性转换孔（MPTP）开放程度、线粒体膜电位（HMMP）和复合体IV活性，最终导致ATP产量增加。这些效应均可被SA增强或被RES抑制。

【Effect of different extenders on the pentose phosphate pathway in boar sperm】

在代谢重编程方面，LG组表现出6-磷酸葡萄糖脱氢酶（G6PD）和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（6PGD）活性增强，但NADPH水平降低，提示磷酸戊糖途径（PPP）活化主要用于应对氧化应激而非NADPH生成。

这项研究揭示了精子适应不同葡萄糖环境的分子开关机制：交配后，PKM2琥珀酰化抑制糖酵解活性并促进其线粒体转位，通过稳定VDAC3增强线粒体功能，维持精子在子宫中的线性运动；排卵后输卵管高葡萄糖环境解除PKM2抑制，重启糖酵解支持受精所需的超活化运动。该发现不仅阐明了琥珀酰化修饰调控精子代谢的精确机制，还为优化精子保存液配方提供了理论依据——通过调控SA浓度可能改善人工授精效果。从更广泛的视角看，这项研究为理解不同类型细胞（如肿瘤细胞）的代谢重编程提供了新的参考模型。