睾丸特异表达蛋白SPATA20在精子发生过程中的功能及机制研究

Sperm is carrier of paternal genetic information and the end product of spermatogenesis. During the haploid phase (spermiogenesis), spermatids undergo a complex differentiation process to develop into spermatozoa, including chromatin remodeling, nucler elongation, cytoplasm elimination, acrosome formation, and flagellum development . Spermiogenesis failure can result in male infertility. It is suggested that thioredoxin family protein plays a critical role in spermatogenesis in recent studies. Our previous study of human and mouse testis proteomics analysis discovered some protein can possibly work for spermiogenesis. We focus on a novel thioredoxin, SPATA20 with conservative domain of thioredoxin. Moreover, our following study find out that SPATA20 express in step 13～16 of spermiogenesis. SPATA20 deficiency in male mouse leads to infertility. Lack of SPATA20 induce sperm tail malformation; decrease sperm progressive motility and sperm number; damage structure of nine-plus-two (9 + 2) complex of microtubules in flagellum. In this project, we will analyze the changesof spermiogenesis and flagellum formation in SPATA20 knockout mice. And we will further explore SPATA20 interaction molecular and regulation networks in spermiogenesis comprehensively with immunoprecipitation, mass spectrometry in vitro and in vivo.

精子是父源遗传信息的携带者，同时也是最终行使功能的男性生殖细胞。精子的形态建成主要发生在精子变形阶段，包括染色质重塑，精子核变形，残余体移除，顶体和尾部的形成。精子尾部形成的异常可以引起不育。已有研究提示硫氧还蛋白家族在精子尾部形成过程中发挥了重要作用。实验室前期研究通过人和小鼠睾丸蛋白质组学研究发现一些可能在精子成熟的过程发挥作用的蛋白。我们挑选了其中具有硫氧还蛋白家族保守结构域的基因SPATA20，进一步研究发现该基因在小鼠精子发生的step13-16中表达。应用基因敲除模型发现雄鼠不育，精子尾部畸形，主要为尾部折断，精子运动力及前向运动力明显下降，精子数量减少， 9+2双联微管结构遭到破坏。本研究拟通过深入分析SPATA20全身敲除小鼠模型的鞭毛发生过程和精子变形过程，结合体外细胞系模型，寻找相互作用分子，全面阐明SPATA20在精子成熟过程中的特异性调控机制和调控网络。

精子发生过程中存在着十分复杂的蛋白质合成、修饰、成熟以及降解的调控机制。本实验室前期以探究核糖体相关蛋白（ribosome-related proteins）对精子发生的影响为目的，纯化了小鼠睾丸组织的核糖体，并通过质谱鉴定到一批核糖体相关蛋白。其中，我们关注到了一个全新的、高丰度的核糖体相关蛋白-SPATA20蛋白。为进一步探究SPATA20在小鼠精子发生过程中的分子机制，本研究首先进行了睾丸的转录组测序，发现Spata20基因的缺失并不影响小鼠睾丸基因的整体转录组水平。用SPATA20抗体进行睾丸组织免疫共沉淀-蛋白质谱检测，发现SPATA20结合蛋白富集于核糖体。结合Spata20 Hom小鼠精子鞭毛紊乱的表型，提示SPATA20可能与核糖体和CCT协同介导精子骨架蛋白的成熟与组装。综上，SPATA20蛋白功能与CCT复合物和核糖体密切相关，是小鼠精子发生过程中的一个关键因子。SPATA20蛋白的缺失导致小鼠精子成熟障碍、精子畸形率增高、雄性不育。我们的研究有助于更多地了解分子伴侣对雄性生殖功能的影响，同时有可能揭示男性生殖缺陷的分子机制。