精子鞭毛外周致密纤维蛋白Odf2在人类弱精症发生中的作用及机制研究

Asthenozoospermia (AS) is a common cause of human male infertility, characterized by reduced sperm motility. The structural integrity of sperm flagellum is essential for sperm motility. The molecular mechanisms of sperm flagellar assembly associated with the pathogenesis of asthenozoospermia are largely unknown yet. In previous studies, it has been found the deficiency of the outer dense fibers (ODFs) which are prominent cytoskeletal elements in sperm flagellum in asthenozoospermia. In mammalian sperm tail, Odf2 is a major protein component of ODFs which localized at mid-piece and principal piece of sperm flagellum. But how Odf2 participates into ODF structure and whether hypo-expression of Odf2 involved in the asthenozoospermia. In the project, we proposed that Odf2 participates into ODF structure by interacting with some critical proteins expressed in sperm exclusively for maintaining the structural integrity and functions of sperm flagellum. The perturbation of these cellular processes results in asthenozoospermia. Therefore, the project will elucidate the function and molecular mechanisms of Odf2 in formation of ODFs via analyzing the Odf2 conditional knockout mice firstly. Then, we will identify the sperm-specific Odf2-interaction proteins to reveal the function of the critical proteins in outer dense fiber assembly as well as the pathogenesis of asthenozoospermia to provide a new insight of the therapy.

弱精症是一种以精子运动能力下降为特征的男性不育疾病，精子鞭毛结构完整是保证精子运动能力的关键所在。研究表明弱精症患者存在精子鞭毛外周致密纤维结构缺陷；Odf2是外周致密纤维最主要的蛋白，但Odf2蛋白如何组装成外周致密纤维，其表达缺失是否导致弱精症的发生有待阐明。我们在前期工作的基础上提出假说：在精子鞭毛形成过程中，Odf2蛋白通过与精子中特异性表达的“关键因子”相互作用，介导了精子鞭毛外周致密纤维形成，保证精子鞭毛结构完整性及功能行使，这一过程的异常是导致弱精症发生的重要分子机制。研究内容：首先研究Odf2蛋白在外周致密纤维形成和弱精症中的作用；其次，筛选并验证精子中与Odf2相互作用的特异性关键蛋白；再次，研究“关键蛋白”在外周致密纤维形成和弱精症中的作用，阐明Odf2组装成精子鞭毛外周致密纤维及其在弱精症发病过程中潜在的分子机制，为探讨弱精症的发病机制提供新思路。

根据世界卫生组织（WHO）的报告，大约15-20%的夫妇发生不孕。约40-50%的不孕病例是由男性因素引起的。弱精子症是人类男性不育症中一种常见的疾病，其特征是精子活力下降。精子鞭毛的结构完整性是精子运动的先决条件。外周致密纤维（ODFs）是哺乳动物精子特有的附属结构，在精子尾部抗剪切力的保护中起着重要作用。然而，ODFs在调节精子运动中的作用和机制及其在弱精子症病因中的作用尚不清楚。在这个项目中，我们使用睾丸特异性Odf2基因敲除小鼠来减少ODFs的主要组成部分-Odf2蛋白，以证明ODFs对精子运动是必需的，并且使用质谱和免疫共沉淀鉴定了两种Odf2相互作用蛋白Cfap58和Cep44。此外，我们利用CRISPR/Cas9技术产生了Cfap58和Cep44敲除小鼠。我们发现Cfap58基因敲除可导致小鼠鞭毛轴丝和线粒体鞘缺陷以及弱精子症，但整体小鼠发育无明显缺陷。不幸的是，Cep44基因敲除导致胚胎死亡，这阻碍了进一步研究Cep44在成年睾丸和精子中的功能。此外，我们还发现人类弱精子症的精子中ODF缺陷的百分比明显增加、Odf2和Cfap58表达量的降低。总的来说，我们在人类和小鼠身上的研究结果强烈表明Odf2及其相互作用伙伴cfap58在精子鞭毛发生和精子运动中起着至关重要的作用。Odf2或Cfap58的功能丧失可引起ODFs和轴丝结构的畸形，最终导致男性不育。这项研究在了解和咨询弱精子症方面提供了重要的见解。