無(wú)頭精子癥（Acephalic spermatozoa syndrome,，ASS）是一種非常嚴(yán)重的畸形精子癥,，具有家族遺傳特征,，臨床表現(xiàn)為精子頭,、尾分離,，男性不育,。早在2015年,，袁水橋教授在PNAS雜志上報(bào)道了SPATA6蛋白缺失可導(dǎo)致小鼠“無(wú)頭”精子癥發(fā)生,，并證實(shí)SPATA6是精子頭頸鏈接部（connecting piece）的重要組成蛋白,。但這一研究并未解析精子頭-尾分離的具體分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò),。
2024年3月7日，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院生殖健康研究所袁水橋教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名期刊EMBO Reports上以“BAG5 regulates HSPA8-mediated protein folding required for sperm head-tail coupling apparatus assembly”為題發(fā)表了一項(xiàng)原創(chuàng)性研究成果,。該研究發(fā)現(xiàn)精子HTCA異常組裝導(dǎo)致“無(wú)頭精子”癥的致病新機(jī)制,，揭示了BAG5蛋白與SPATA6蛋白互作激活熱休克家族蛋白HSPA8介導(dǎo)的蛋白折疊網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而調(diào)節(jié)精子頭尾耦合裝置的組裝,。
為研究新鑒定的SPATA6互作蛋白BAG5的生理功能,，課題組首先利用CRISPR/Cas9技術(shù)構(gòu)建了Bag5敲除小鼠模型，發(fā)現(xiàn)BAG5蛋白缺失可導(dǎo)致雄性小鼠不育,，進(jìn)一步的表型分析發(fā)現(xiàn)Bag5敲除小鼠附睪精子頭尾分離,，呈現(xiàn)“無(wú)頭精子”癥狀，與Spata6敲除小鼠表型一致,。接下來(lái),，課題組通過(guò)透射電鏡（Transmission electron microscope，TEM）對(duì)敲除小鼠精子變形過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)觀察（step by step）,，發(fā)現(xiàn)從第6-8步（step 6-8）開(kāi)始精子HTCA組裝開(kāi)始出現(xiàn)異常,，至step 15-16精子頭尾完全分離，表明BAG5蛋白對(duì)精子變形中HTCA的組裝有重要的調(diào)控作用,。有趣的是,，課題發(fā)現(xiàn)通過(guò)卵胞漿內(nèi)單精子注射（Intracytoplasmic sperm injection，ICSI）輔助生殖技術(shù),，Bag5敲除小鼠分離的精子頭具有正常的受精能力,，這對(duì)于未來(lái)尋找人群中Bag5基因突變導(dǎo)致男性不育的診斷和治療具有重要的臨床意義。
機(jī)制研究方面,，課題組結(jié)合以往的研究,，提出BAG5蛋白通過(guò)介導(dǎo)伴侶蛋白HSPA8的蛋白折疊功能，參與精子HTCA組裝的分子假設(shè),。通過(guò)一序列的體內(nèi)外實(shí)驗(yàn),，課題組發(fā)現(xiàn)BAG5蛋白的BD5結(jié)構(gòu)域和HSPA8蛋白的NBD結(jié)構(gòu)域相互作用,，調(diào)控HSPA8蛋白的SBD結(jié)構(gòu)域與底物蛋白的親和力,。進(jìn)一步通過(guò)免疫共沉淀（Co-IP）實(shí)驗(yàn),，發(fā)現(xiàn)在野生型小鼠睪丸組織中，HSPA8蛋白與SPATA6,、MYO5A和DYNLT1蛋白有較為強(qiáng)烈的相互作用效應(yīng),，而在Bag5敲除小鼠睪丸組織中，這些相互作用顯著減弱,，表明BAG5蛋白能夠增強(qiáng)HSPA8蛋白復(fù)合物的穩(wěn)定性,，以調(diào)節(jié)HSPA8與靶蛋白（SPATA6、MYO5A和DYNLT1）的親和力,。接下來(lái),，課題組通過(guò)非靶向定量蛋白質(zhì)組學(xué)（Untargeted quantitative proteomics）以及免疫印記實(shí)驗(yàn)證實(shí)了BAG5蛋白缺失影響SPATA6蛋白、肌球蛋白（MYO5A和MYL6）和動(dòng)力蛋白（DYNLT1,、DCTN1和DNAL1）的蛋白折疊和蛋白穩(wěn)態(tài),。此外，該研究還發(fā)現(xiàn),，體內(nèi)外ATP和非水解ATP類似物（AMP-PNP）均可以影響HSPA8與SPATA6的結(jié)合,，同時(shí)HSPA8的核苷酸結(jié)合域NBD的破壞可降低HSPA8的SBD結(jié)構(gòu)域與SPATA6蛋白的結(jié)合能力?？傊?，該研究通過(guò)一系列的體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，揭示了精子頭尾耦合裝置（HTCA）形成過(guò)程中一個(gè)創(chuàng)新性的蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)（BAG5-HSPA8-SPATA6）,，進(jìn)一步完善了精子HTCA形成的具體分子機(jī)制（圖1）,。
圖1. BAG5蛋白激活HSPA8介導(dǎo)的蛋白折疊參與精子頸部組裝的分子模式圖。
華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院生殖健康研究所博士研究生甘世明,、浙江大學(xué)邵逸夫醫(yī)院博士研究生周淑敏,、華中科技大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士研究生馬金哲、同濟(jì)醫(yī)學(xué)院生殖健康研究所博士畢業(yè)生熊孟能（現(xiàn)就職于武漢大學(xué)人民醫(yī)院生殖中心）為該論文的共同第一作者,，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院生殖健康研究所/實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心袁水橋教授為該論文的唯一通訊作者,。該研究得到了華中科技大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院馬梅生教授、美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校閆威教授以及浙江大學(xué)邵逸夫醫(yī)院孫斐教授大力支持,，以及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目,、華中科技大學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s44319-024-00112-x
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