GM130在精子顶体形成中的功能研究

The biogenesis of the acrosome is a key step in spermiogenesis, including formation, trafficking and fusion of proacrosomic vesicles from trans-Golgi stacks. Abnormal acrosomal development and function perturb the fertilizing capacity of spermatozoa. Although the acrosome is known to be derived from the Golgi apparatus, the underlying molecular mechanisms of acrosome formation are largely unknown. GM130, a cis-Golgi matrix protein, is involved in the the Golgi structure maintenance, protein glycosylation, vesicle trafficking and cell polarization. We have made the GM130 knockout mouse to study the potential role of GM130 played in acrosome biogenesis. The mutant male mice is infertile. The acrosome is missing in the spermatozoon in GM130Δ/Δ mice, as well as abnormal nuclear shape and abnormal arrangement of the mitochondria. Dramatically reduced sperm number and motility were also observed. Based on these findings, the aim of this study is to determine which steps in acrosome biogenesis were affected when GM130 was deleted and to explore the underlying molecular mechanisms. The potential association with human globozoospermia will also be verified.

顶体是精子变态过程中形成的覆盖精子头部的特化细胞器，在精卵结合中起重要作用，顶体形成包括高尔基体反式面来源的囊泡转运、分选和融合等多个步骤。顶体异常可影响精子的受精能力，是临床上导致男性不育的主要原因之一。目前研究证实顶体囊泡主要来源于高尔基体，但高尔基体如何参与顶体形成其确切的分子机制并不清楚。GM130是定位于高尔基体顺式面的基质蛋白，在维持高尔基体结构、蛋白质糖基化、膜泡转运和细胞极性等方面发挥重要作用。我们实验室最近研究发现，敲除GM130后，雄性小鼠完全不育，进一步研究发现精子顶体缺失，头部呈圆形，线粒体鞘组装异常。这种表型非常类似人类圆头精子症。本项目在前期工作的基础上，将进一步利用基因敲除的小鼠模型，并结合细胞生物学和分子生物学的方法，对GM130在精子顶体形成过程中的作用机制进行系统研究，从而为全面阐明顶体形成的调控机理，以及临床圆头精子症的致病原因提供理论支持。

圆形精细胞不能正常发育为成熟有活力的精子是临床上男性不育的主要原因之一。圆头精子症是导致男性不育的常见生殖系统疾病，其典型特征是精子顶体形态异常或缺失。顶体是成熟精子头部一个特异的结构，它在精子穿越卵母细胞透明带过程中发挥重要作用。虽然顶体已知来源于高尔基体，但是其详细的分子机制仍不清楚。GM130是高尔基体顺式面的基质蛋白，在高尔基体结构维持、有丝分裂过程中高尔基体的解聚和重新装配中起重要作用。我们发现GM130缺失的雄鼠完全不育，主要原因是精子顶体缺失，精子头部呈圆形，线粒体鞘排列异常，该表型与人类圆头精子症类似。我们以Stra8-cre或Amh-cre分别制备了精细胞或支持细胞特异缺失GM130的小鼠模型，发现支持细胞中缺失GM130的小鼠精子发生正常，但是精细胞中缺失GM130的小鼠与GM130全敲小鼠表型一致，表明是精细胞中表达的GM130参与了顶体的形成。进一步研究表明，GM130缺失没有影响前顶体囊泡从高尔基体分泌，但是这些小囊泡不能融合成一个大的顶体囊泡。GM130相互作用的蛋白P115和GRASP65在精细胞中表达消失，接头蛋白AP1与位于高尔基体反式面的蛋白TGN46的共定位被破坏，提示顶体形成异常是因为高尔基体来源的前顶体囊泡不能发生正常分选和包被。本研究为深入了解顶体形成的分子机制以及临床圆头精子症的致病原因提供了重要的信息。我们也观察了GM130缺失的雌鼠生育情况，发现成年GM130缺失的雌鼠不育，不能排卵，卵巢内无黄体产生，因此GM130在雌性生殖特别是排卵的过程中也发挥着重要作用。