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西湖大学唐鸿云实验室发现全新细胞结构,对精子活性至关重要
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分类:  创建于:2023-11-09 被查看:1046次
上世纪60年代,在长达数公里的类星体观测数据中,乔瑟琳·贝尔发现了极小的无法解释的脉冲信号。很快,一系列关于脉冲星的全新认知从这段奇异的波动里喷薄而出。

在黑暗中探索,总有一些发现意外掉落,或恢弘如宇宙,或精妙如生命。

西湖大学唐鸿云团队接住了其中一个。

在一张关于雄性线虫精细胞发育的实验图像中,一个陌生的“泡泡”出现在精细胞外围。唐鸿云团队长期从事细胞器囊泡与衰老调控研究,他们直觉这很可能是一种未知的细胞结构,并在此后三年对其展开深入探究。


论文截图

北京时间2023年11月10日0时,西湖大学生命科学学院唐鸿云团队与北京大学跨学部生物医学工程系黄小帅团队合作,在Nature Cell Biology发表了题为“Mitopherogenesis, a form of mitochondria-specific ectocytosis, regulates sperm mitochondrial quantity and fertility”的最新研究成果:

他们首次鉴定到一种特异性包裹线粒体的细胞外囊泡——也就是三年前那个乱入的“泡泡”——它是精子中线粒体数量调控的主要机制,可能调控精子的能动性和可育性。该原创性发现将为理解精子发育中线粒体数量控制、不同细胞间线粒体交流及外泌囊泡的新功能带来全新的理解。

研究团队将这个“泡泡”命名为“线粒体囊”(mitopher)。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41556-023-01264-z


消失的线粒体————精子中的线粒体数量需要严格调控

作为人体中最重要的细胞器之一,线粒体是细胞的能量工厂、代谢中心及胞内关键的信号整合场所。因此,线粒体的质量控制和数量调控对于细胞功能至关重要。

同理,精子内部线粒体的功能或数量改变对男性不育症的影响,是生殖领域长期关注的关键问题。

过去一些观察发现,来自不同弱精症患者的精子存在线粒体数量过多或过少的情况,这暗示着精子内部线粒体数量维持在一个合适的范围,可能对于精子可育性非常重要。

然而,相关机制的研究仍非常有限。

为此,唐鸿云团队设计了一组实验——

他们通过荧光染色光镜成像及三维电镜分析两种手段,对比了秀丽隐杆线虫正在完成第二次减数分裂的精细胞和成熟精子中的线粒体数量。他们发现,成熟精子中的线粒体总体积明显低于精细胞,线粒体数量也显著减少(图1)。


图1:正在完成第二次减数分裂的精细胞和成熟精子中线粒体体积和数量统计

通过三维电镜定量细胞内线粒体的绝对数量,结果显示平均每个成熟精子中含有57个线粒体,而精细胞中约含有90个线粒体,平均减少了33个线粒体。这些数据证明此前的设想,线虫精子发育过程中,其线粒体数量确实受到严格调控,维持在一个合适范围内。

问题来了:消失的线粒体去哪里了呢?

陌生的泡泡——从未被发现、被定义的10秒

线粒体自噬,是这个问题最直接的猜想。简单地讲,就是细胞内的线粒体在损伤后,被包裹进自噬体中与溶酶体融合,从而完成“自我清除”。

因为根据已知的生物学知识,几乎没有其他生物学过程能够降低细胞内线粒体的数量。

可是,线虫的精细胞中并没有溶酶体,那么就无法用“自噬”来解释消失的线粒体。也就是说,在精子发育过程中,可能存在其它未知的方式来调节线粒体数量。

会是什么呢?

那个后来被起名叫“线粒体囊(mitopher)”的“泡泡”出现了。

在其中一份实验图像上,精细胞胞外、细胞与细胞之间,冒出了一个陌生的“泡泡”,特别显眼。唐鸿云和团队成员没有放过这个“意外”,他们通过透射电子显微镜(TEM)和三维电子显微镜(3D-EM)等先进成像技术,惊奇地发现这个“泡泡”里有且仅有一个完整的、健康的线粒体。

这种特异性含有单个线粒体的细胞外囊泡,在过去从未被发现过,也从未被定义过。

研究人员还通过多种先进的活体成像技术,观察到了线粒体囊“带走”线粒体的动态过程,也叫“线粒体囊吐(mitochondrial ectocytosis)”。

我们可以把精细胞想像成一个大泡泡。细胞质膜先是向外形成芽突,包裹一个健康的线粒体,然后迅速芽吐生成“线粒体囊”。就像大泡泡鼓起了一个犄角,然后往外一吐,吐出一个小泡泡。(图2)


图2:精细胞通过芽吐生成“线粒体囊”将线粒体排出至胞外空间。(注:上文中的“囊吐”和“芽吐”,为西湖大学唐鸿云研究员和北京师范大学苗龙研究员分别对“ectocytosis”和“细胞膜出芽(budding) 形式发生的ectocytosis”共同做的中文注释)

整个过程非常快,通常在10秒内完成。

以至于研究团队前后花了一年多时间,试遍了国内最精密的各类型显微镜,才得以拍摄下这一完整过程。

“几乎是大江南北,追着仪器跑。”唐鸿云说,实验设备甚至只是其中相对简单的环节,这是一项全新的工作,活细胞显微成像的实验技术同样需要创新。

最终,通过大量极富创造性的尝试和优化,研究团队确认了两个关键信息:

一是确认“新”:线粒体囊与之前报道过的另外两类携带细胞器的囊泡——迁移体(migrasome)及exopher——在生物合成机制、生成速度、大小及货物特异性上有明显区别,因此可以认定为是一类全新的包裹细胞器的囊泡(图3)。

二是确认“多”:实验发现,平均每个精细胞可以产生约29个线粒体囊,也就是说,精子在发育过程中会“扔出”29个线粒体。对比此前实验中“平均减少33个线粒体”的数据,说明线粒体囊的产生是精细胞中最主要的线粒体数量调节机制。


图3:线粒体囊与迁移体及exopher的比较



游走的“线粒体囊”——对精子能动性和可育性至关重要

知其然,知其所以然。

研究人员更进一步提出问题:“线粒体囊”的形成,需要什么特定条件吗?

研究人员开始寻找体内能够触发“线粒体囊”生成的发育信号,在进行了大量的突变体及化学小分子筛选后,最终将目标锁定在生殖腺内的细胞外蛋白酶上。

一切的开始,由酪氨酸激酶SPE-8介导蛋白酶发出的信号,告诉精细胞可以启动“线粒体囊”的生成程序了;而即将离开精细胞的线粒体,会在肌动蛋白Actin聚合的帮助下向外走。也有唱反调的,发挥货物转运作用的肌球蛋白Myosin VI,倒是在这个过程中扮演起把线粒体往回拉的角色(图4)。


图4:精细胞生成“线粒体囊”的调控机制

除此之外,研究人员通过抑制“线粒体囊”的发生,观察其对精子运动能力和可育性的影响。他们发现,“线粒体囊”分泌减少的突变体线虫,精子中所含的线粒体数量明显高于其他正常分泌“线粒体囊”的精子,会存在很高比例无法运动的情况。同时,“线粒体囊”分泌减少的突变体雄虫,与野生型雄虫相比,产生的后代数明显减少。

不过,研究团队认为,这些结果仅仅初步阐释了“线粒体囊”发生的细胞过程和分子机制,这方面还有很多问题值得进一步探究。比如——

同样是健康的线粒体,为什么精细胞会选择排出这个而不是另一个?

肌动蛋白Actin的聚合具体是通过什么样的途径帮助线粒体向外走的,是搭了一条通道方便线粒体转运,还是介导囊泡从胞体的脱落?

除了精细胞,还有没有其他细胞会生成并释放线粒体囊?

当这些携带健康线粒体的囊泡游走在细胞之间,他们会与其他细胞交流吗?如果会,这种交流又会带来什么?

“线粒体囊及其调控机制的发现,是在现有线粒体数量调控机制上开辟出的一个全新分支。”唐鸿云说,这项研究丰富了人们对线粒体行为的基础认知,也有望对精子不育提供新的机制性理解。“未来,我们将进一步探索线粒体囊在多种生理活动中的作用,相信会有许多未知的惊喜等待我们去发现。”

最后,我们可以通过下面这组漫画,简单回顾一下关于“线粒体囊”的重要发现:


西湖大学生命科学学院唐鸿云研究员和北京大学跨学部生物医学工程系助理教授黄小帅为本文共同通讯作者;西湖大学唐鸿云课题组的博士后刘朋、博士研究生时静和盛丹莉为本文的共同第一作者。

本课题受到科技部重点研发项目、国家自然科学基金、西湖实验室(生命科学和生物医学浙江省实验室)及西湖教育基金会的资助和支持。
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