线粒体参与线虫精子细胞活化与运动信号通路研究

Different from mammalian flagellated sperm, nematode sperm are crawling cells. Their cytoskeleton is composed of the major sperm protein (MSP), instead of conventional actin. The dynamics of MSP cytoskeleton drives sperm activation, migration, sperm-oocyte recognition and fertilization. Unlike actin, which has many accessory proteins and various functions during development such as cellular morphology maitenance, cytokinesis and cell migration, MSP provides a simplified and straightforward system for the study of cell motility. Sperm activation is a finely tuned process initiated by extracellular signals. Mitochondria play important roles in the regulation of cell death, cellular metabolism and differentiation. Nematode sperm, though transcriptionally and translationally quiescent, are highly motile cells and mitochondria are enriched in these cells. However, the singaling functions of mitochondria during nematode sperm activation and directional motility have not been investigated thus far. We found that mitochondrial membrane potential changed in the nematode sperm before and after cell activation. Inhibition of mitochondrial function blocked sperm activation triggered by extracellular activator. Based on these results, we will study the mitochondrial roles during sperm activation, especially the signal transduction pathways for the vesicles fusion with plasma membrane and the mechanism of the regulation of MSP cytoskeleton. These works will contribute to the clarification of the mechanism of nematode sperm activation and cell motility.

线粒体在哺乳动物细胞凋亡、细胞代谢调节和细胞分化等生物学过程中发挥重要作用。以精子主要蛋白为细胞骨架蛋白的线虫精子细胞具有结构简单、易于收集进行体外激活、体外细胞骨架聚合和显微镜活体观察等优点。一些生殖相关基因在线虫与哺乳动物之间高度保守。我们实验室最近发现线虫精子细胞胞外激活剂有效组分是一种丝氨酸蛋白酶TRY-5,能高效传递激活信号活化精子细胞。而目前关于线粒体参与线虫精子细胞活化及运动信号转导机制研究国内外尚未有报道。本课题前期研究发现线虫精子细胞线粒体膜电势在加胞外激活剂后明显变化,而线粒体功能抑制剂能够抑制胞外激活剂对精子细胞激活作用。在此基础上,本课题将深入分析线粒体在线虫精子活化膜泡融合和细胞骨架聚合装配过程中的重要作用，找到线粒体感受胞外激活剂TRY-5激活信号通路其他关键信号分子，包括胞内二级信使和磷酸化修饰相关激酶、磷酸酶，为阐明线虫精子细胞活化与运动机制奠定基础。

线粒体在哺乳动物细胞凋亡、细胞代谢调节和细胞分化等生物学过程中发挥重要作用。以精子主要蛋白为细胞骨架蛋白的线虫精子细胞具有结构简单、易于收集进行体外激活和显微镜活体观察等优点。而一些生殖相关基因在线虫与哺乳动物之间高度保守。我们实验室最近研究发现线虫精子细胞胞外激活剂有效组分是一种丝氨酸蛋白酶TRY-5,能高效活化精子细胞。而目前关于线粒体参与线虫精子细胞活化及运动信号转导机制研究国内外尚未有报道。.本项目在鉴定出雄性激活因子的基础上，深入探究TRY-5激活信号通路下游调控机制，揭示了线粒体对于线虫精子细胞活化与运动的重要调控作用。一方面，线粒体能够响应TRY-5激活信号显著提高自身活性，包括膜电势改变和ATP合成量；另一方面，线粒体功能缺陷能够充分抑制线虫精子活化重要生理事件，包括伪足的延伸和膜性细胞器MO与细胞质膜的融合；而线粒体功能抑制剂对正常活化精子细胞骨架动态聚合解聚的抑制，揭示了线粒体功能对于精子细胞骨架动态维持和运动能力的调控。以线粒体功能研究为突破口，探寻线粒体应答胞外激活剂TRY-5信号通路中的重要胞内二级信使，发现钙离子对线虫精子细胞活化的充分必要性，鉴定出重要的胞内钙库，并揭示TRY-5激活信号通路中钙离子对线粒体活性和ATP合成的调控作用。在明确活化过程中合成大量ATP的基础上，深入探究ATP在精子细胞活化中的重要功能，发现ATP在胞内膜性细胞器MO内的储存，伴随MO与质膜融合释放到胞外，以及胞外ATP对于雄性体内另一重要激活因子Zn2+活化的抑制，预示ATP对于维持精子细胞在线虫储精囊内的非活化状态具有重要意义。.上述理论研究有助于深入理解线粒体在生命活动中的重要作用，拓展线虫精子细胞中线粒体合成产物ATP研究的新领域、新思路，从细胞学及二级信使钙离子信号转导调控方面丰富对精子细胞活化运动机制的认识，填补线虫精子细胞Try-5激活信号通路研究的空白。