孙飞研究组与合作者共同揭示
哺乳动物精子轴丝中央微管原位结构及其引发弱精症的分子机制

　　受精卵是生命起点，而精子能否“长途跋涉”并成功与卵子相遇，是这一生命奇迹诞生的先决条件。不孕不育困扰着全世界约1/6的育龄夫妇，是全球重大医学难题。弱精症是男性不育最常见的原因之一，表现为精子运动能力缺陷。精子鞭毛具有标志性的“9+2”轴丝结构，由9组微管二联体围绕中央微管（Central Apparatus，CA）组成，通过动力蛋白臂引起轴丝微管相互之间滑动，促使精子鞭毛摆动，进而产生精子游动。目前，哺乳动物精子鞭毛轴丝中央微管的精细结构和功能机制仍不清楚，制约了对弱精症发病分子机理的科学阐释。

　　2025年6月5日，中国科学院生物物理研究所孙飞研究组联合北京师范大学陈苏仁教授、重庆市妇幼保健院黄国宁/林婷婷教授、中国科学技术大学张志勇教授等团队，在《Cell Research》杂志发表题为“In situ structure of the mouse sperm central apparatus reveals mechanistic insights into asthenozoospermia”的研究论文，首次解析了哺乳动物精子轴丝中央微管的高分辨率原位结构，阐明了C1-C2微管及其内外结合蛋白的组装模式，揭示了中央微管结构缺陷引发弱精症的致病机制。

　　在精子鞭毛的运动过程中，中央微管起到了中央枢纽的调节作用。长期以来，研究人员针对不同生物纤毛/鞭毛中央微管的结构展开了深入研究。然而，由于中央微管具有组分复杂且动态性强的特性，目前已获得的中央微管原位结构分辨率均为26埃以下，仅能对其整体形态进行观察。2022年，国际上有两个研究团队分别从衣藻纤毛中纯化得到C1和C2微管分离的中央微管样品，并借助冷冻电镜单颗粒技术解析了其高分辨率结构，为中央微管组分研究提供了重要的基础信息。然而，此类样品存在结构破坏的情况，直接导致中央微管的完整组装信息难以被解读。此外，低等动物和高等动物的中央微管组成存在显著差异，这使得该研究成果难以直接为人类弱精症的诊疗提供参考。

　　孙飞研究组长期致力于冷冻电子断层成像技术的开发与应用，2023年成功解析了小鼠精子微管二联体的高分辨率原位结构，局部分辨率最高达4.5埃。在本研究中，该团队利用最先进的原位冷冻电镜技术，结合AlphaFold2等人工智能蛋白质结构预测技术，克服样品制备、数据采集和图像处理方面的技术难题，首次解析出小鼠精子轴丝中央微管的高分辨率原位结构（局部分辨率最高达5.5 埃）。该研究清晰呈现了C1-C2微管及其内外结合蛋白的组装模式，搭建出包含466个蛋白亚基的结构模型，鉴定出39种不同的组成亚基，其中8种（GRK3、ANKMY1、LRRC43、GOT1L1、LRRD1、MAP1S、GMCL1/BTBD16和SPACA9）为全新发现的精子轴丝中央微管组分。

图1. 小鼠精子轴丝中央微管的原位结构示意图

　　在中央微管结构中，CFAP47和HYDIN是两个关键组分，二者均是长链状的ASH结构域组成蛋白。该研究首次揭示了这两种蛋白的全长结构，精准阐明了它们协同构筑柔性连接桥梁从而发挥稳固C1-C2微管的关键作用。具体而言，HYDIN在C1和C2微管外侧环绕形成半圆形结构，其N末端参与强化C1-C2连接，C末端则在C2微管中提供轴向支撑。CFAP47构成了中央微管连接桥的主体结构，其N末端结构域与C1微管结合，通过中央的CFAP47环与HYDIN相互作用，并通过C末端与C2微管相连。为了进一步证实CFAP47与弱精症的关系，研究人员还通过Cfap47基因敲除小鼠的精子表型分析及轴丝原位结构研究，并结合临床弱精症患者数据，阐明了CFAP47蛋白缺陷导致精子鞭毛运动障碍的致病机理。

　　综上，该研究首次揭示了哺乳动物精子轴丝中央微管的精细组装机制，并系统阐释了中央微管组成蛋白缺陷导致精子鞭毛运动障碍的致病机理，运用“高分辨原位结构+动物模型+临床数据”三位一体的研究策略，为弱精症的精准诊疗提供了新的见解。

　　中国科学院生物物理研究所孙飞研究员、朱赟研究员与北京师范大学陈苏仁教授为本文的通讯作者。朱赟研究员与重庆市妇幼保健院林婷婷教授为本文的共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）等项目的资助。样品制备、数据收集等工作得到了生物物理所蛋白质科学研究平台相关工作人员的大力支持和帮助。

　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41422-025-01135-2

（供稿：孙飞研究组）