Prss54基因通过调控顶体颗粒定位和细胞骨架组织影响精子形成的作用机制研究

Acrosome is a special organelle that plays a key role in fertilization. Although several genes have been reported to be involved in acrosome biogenesis, the molecular mechanisms governing acrosome biogenesis are still not fully clarified. Our previous study found that Prss54-null male mice exhibited sperm malformation, defects in sperm-zona penetration and male subfertility. It was further found that the acrosomal granule was eccentrically detached in the acrosomal vesicle associated with an impairment of the cytoskeleton organization after Prss54 disruption, leading to asymmetrical caudal descent of the acrosomal vesicle as well as abnormal nuclear shaping during late spermiogenesis. At present, there is no report on the study of Prss54 function. Thus we propose the following hypothesis: Prss54 plays an important role in mouse spermiogenesis by regulating acrosomal granule localization and cytoskeleton organization. The purpose of this study is to determine the expression and localization of Prss54 at different steps of spermiogenesis, explore the effects of Prss54 on the expression and distribution of key genes related to acrosome biogenesis, as well as identify and verify potential interaction proteins of Prss54, multilayered at molecular, cellular, tissue and animal levels. The expected results are helpful to reveal the molecular mechanisms by which Prss54 regulates acrosomal granule localization and cytoskeleton organization, providing theoretical guidance for the clinical diagnosis and treatment of male fertility disorders and the development of targeted reproductive regulatory drugs.

顶体是一个特殊的细胞器，在受精过程中起关键作用。尽管多个基因已被报道参与了顶体生物发生，但调控顶体生物发生的分子机制仍未明了。我们前期研究发现，Prss54剔除雄鼠精子畸形、穿透明带障碍、生育力低下。进一步研究发现，Prss54剔除后顶体颗粒偏心游离在顶体囊泡中，且细胞骨架组织紊乱，导致精子形成后期不对称的顶体囊泡向后延伸及核成型异常。目前未见关于Prss54功能研究的报道。据此我们提出假说：Prss54通过调控顶体颗粒定位和细胞骨架组织而在小鼠精子形成过程中发挥重要作用。本课题拟从分子、细胞、组织及动物水平多层次明确Prss54在精子形成不同阶段的表达和定位；探讨Prss54对顶体生物发生关键基因的表达和分布的调控；发现并验证Prss54的潜在相互作用蛋白。预期结果有助于揭示Prss54调控顶体颗粒定位和细胞骨架组织的分子机制，为雄性生育障碍的临床诊治和开发靶向生殖调节药物提供理论指导。

顶体是一种仅在精子中发现的高度特化的细胞器，它在受精过程中卵丘细胞的分散和卵细胞透明带的穿透中起着重要作用。临床研究表明，许多男性不育或生育力下降与顶体异常密切相关。前期研究发现，Prss54剔除雄鼠精子畸形、穿透明带障碍、生育力低下。并且，Prss54剔除后顶体颗粒偏心游离在顶体囊泡中，细胞骨架组织紊乱，在精子形成后期出现不对称的顶体囊泡向后延伸及轻度核成型异常。本项目拟从分子、细胞、组织及动物水平多层次明确Prss54在精子形成不同阶段的表达和定位，探讨Prss54对顶体生物发生关键基因的表达和分布的调控，发现并验证Prss54的潜在相互作用蛋白。我们的研究结果详细证明了PRSS54蛋白不仅存在于睾丸中，也存在于成熟精子中，并且睾丸中的PRSS54蛋白存在N连接的糖基化修饰。PRSS54蛋白的分子量大小也从睾丸中的50kDa变化到精子中的42kDa。对PRSS54蛋白的亚细胞定位分析显示，它在顶体生物发生早期出现在顶体颗粒中，然后沿着顶体内膜延伸，最终出现在成熟精子的顶体区域。PRSS54蛋白与顶体蛋白ZPBP1、ZPBP2、ACRBP和ZP3R存在相互作用，PRSS54的缺失影响了这些蛋白在睾丸和精子中的分布，使得Prss54缺失精子在顶体反应过程中对顶体反应诱导物更加敏感。此外，Prss54转基因可以挽救Prss54基因缺失导致的雄鼠生育力低下和顶体畸形的表型。综上所述，PRSS54是一种顶体蛋白，在调节顶体生物发生、精子功能和雄性生育力方面发挥着重要作用。考虑到PRSS54蛋白在小鼠和人类之间的高度保守，我们的研究发现可能提示PRSS54对人类精子形成和受精的重要作用，从而使PRSS54成为人类男性生育障碍的潜在病因，为雄性生育障碍的临床诊治和开发靶向生殖调节药物提供理论指导。