睾丸特异表达蛋白TMPRSS12在精子发生中的作用和机制研究

Spermatogenesis is a complex process of cell division and differentiation, which is regulated by stage-specific expression of a series proteins. Because a lot of newly synthesized precursor proteins need cleavage for transforming into active protein, the role of protease attracts highly concerned. In recent years a group of membrane anchored proteases, TMPRSSs, has emerged. Studies on some members of this protease family have indicated they participated in regulating different physiological processes, and disease association has been confirmed. By constructing the protein expression profile of human testis, we found there is a function unknown TMPRSS member, TMPRSS12, in the testis. Our preliminary study demonstrate that TMPRSS12 is specifically expressed in testis, and predominantly expressed in spermatid, but not expressed in mature sperm; in mouse model, TMPRSS12 deficiency cause sperm motility significantly decreased and male infertility. These results suggest that TMPRSS12 may play a role during spermiogenesis. In this project, through in-depth analysis of TMPRSS12 knockout mice, we will reveal the specific aspects of TMPRSS12's effect on sperm motility, and further find its specific substrate protein and molecular regulation network. Our stuy could provide an overall view of TMPRSS12 in regulation of spermiogenesis.

精子发生是复杂的细胞分裂分化过程，阶段特异性表达的蛋白质在其中发挥关键的调控作用。因为很多新合成的前体蛋白需经酶切激活方能发挥功能，所以蛋白酶的作用受到关注。TMPRSSs是近年来发现的一组膜锚定蛋白酶，部分成员在不同生理过程中的作用及其与相应疾病的关联已得到证实。我们前期发现构建的人睾丸蛋白质表达谱中有TMPRSS成员——TMPRSS12。初步研究显示TMPRSS12在睾丸特异表达，主要定位于精子细胞，但成熟精子无表达；缺失TMPRSS12的雄性小鼠不育，精子活力显著下降；提示TMPRSS12可能在精子细胞变形过程中发挥功能，影响精子活力。本课题拟通过TMPRSS12定位研究和基因敲除小鼠表型分析，揭示TMPRSS12影响精子活力的具体环节，同时筛选TMPRSS12在发挥功能时的底物蛋白及其下游分子网络，全面阐明TMPRSS12在精子发生中的作用和机制，并验证该基因在不育人群的关联性。

精子发生受复杂的基因/蛋白质精密调控，发现并解析其中关键蛋白的作用对于揭示精子发生及男性不育的分子机制具有重要意义。蛋白酶因其能激活特定靶蛋白而引发下游级联反应、从而在蛋白质调控网络中居于“上游”而受到关注。本课题聚焦跨膜丝氨酸蛋白酶成员TMPRSS12，借助基因敲除小鼠模型和人群样本深入揭示它在精子发生中的作用和机制。研究结果证实：（1）TMPRSS12特异表达于睾丸初级精母细胞至精子细胞阶段以及附睾成熟精子的顶体部位，提示它在精母细胞减数分裂、精子细胞变形以及精子功能中的潜在作用。（2）TMPRSS12为雄性生育所必需：其缺失后雄鼠完全不育，表现为少、弱精子症；在男性不育人群则发现有意义的Tmprss12基因潜在致病位点。（3）TMPRSS12参与雄性生殖的多个环节：是精母细胞减数分裂的关键调控因子，其缺失后染色体联会及重组修复受损，使得精母细胞凋亡增加，导致少精；参与精子细胞变形过程，其缺失影响线粒体发育及功能，使得精子ATP生成减少，导致弱精；调控精子功能，其缺失影响获能和顶体反应，致受精率下降。（4）在睾丸中TMPRSS12与CLGN协同发挥作用；同时鉴定到TMPRSS12在睾丸发挥作用的特定靶分子，它们分别参与减数分裂、线粒体发育和功能等。（5）TMPRSS12在精子中通过影响ADAM3发挥功能。综上，本研究全面阐释了TMPRSS12在男性生殖中参与不同环节的关键作用，并初步揭示其作用机制。研究结果有效充实了精子发生/精子功能分子调控机制的理论，为男性不育病因解析及发病机制阐释提供新的线索；而TMPRSS12及其下游靶分子有望成为临床男性不育诊治以及男性避孕药研发的潜在靶点。