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Science丨睾丸激素分泌系统调控因子新发现

来源:BioArt
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男性体内的睾丸激素分泌系统是由上游睾丸来源的分泌因子进入男性生殖道从而调节下游精子成熟所需要的附睾信号途径。性激素,尤其是雄激素在男性生殖道发育以及功能中发挥着非常关键的作用。但是到现在为止,还没有睾丸激素分泌系统相关的因子被鉴定出来。

为了鉴定和探明雄性睾丸激素分泌激素系统运作的具体分子机制,近日,日本大阪大学Masahito Ikawa研究组与美国贝勒医学院Martin M. Matzuk研究组合作在Science发文题为NELL2-mediated lumicrine signaling through OVCH2 is required for male fertility,鉴定出睾丸生殖细胞分泌的表皮生长因子类似蛋白NELL2(Neural epidermal growth factor-like-like 2)通过调节睾丸激素分泌信号从而在雄性生育能力中发挥关键的调节作用。

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孤儿受体酪氨酸激酶ROS1(c-ros oncogene 1)特异性的表达在附睾初节(Initial segment,IS)的位置,对出生后初节中细胞的分化非常关键【1】。但是目前为止无论是调节附睾初节分化的相关因子还是分化后初节中精子成熟过程的调节因子都未见详细的研究和鉴定。为了鉴定附睾孤儿受体ROS1的配体,作者们筛选了在精子发生过程中上调的睾丸分泌蛋白。通过微阵列数据同时根据设定的分类标准,作者们共鉴定得到了9个备选目标基因。通过基因敲除后,发现其中的7个备选基因的表型与Ros1敲除的小鼠并不一致。剩下两个备选因子中,其中的一个是蛋白酶不太可能是ROS1的配体发挥作用。最终,作者们将目光集中在了睾丸生殖细胞分泌的表皮生长因子类似蛋白NELL2之上。

作者们发现,NELL2能够在体外与ROS1特异性的发生相互作用,但是其他带有表皮生长因子类似结构域的蛋白比如软骨寡聚基质蛋白COMP并不能与ROS1发生特异性相互作用。而且,在野生型的小鼠中,Nell2特异性表达在睾丸和脑部而非附睾之中。而在生殖细胞缺陷型W/W v小鼠中,Nell2仍然能表达在脑部,但是睾丸初节不能进行正常分化。同时作者们发现,在Nell2敲除小鼠中回补特异性表达在睾丸生殖细胞中的NELL2蛋白后,能够完全挽救雄性不育的表型。因此,作者们排除了NELL2通过表达在脑部调控生殖能力的可能性,并确认NELL2是一个睾丸激素分泌系统的调节因子。

那么,造成Nell2敲除小鼠不育的具体机制是什么呢?作者们发现在Nell2 敲除小鼠的睾丸中,精子发生过程似乎没有受到什么明显的影响。但是在Nell2 敲除小鼠中,睾丸初节几乎不能进行分化。这与Ros1敲除小鼠的表型是非常相似的。伴随着初节分化,ERK1/2(Extracellular signal–regulated kinase 1/2)会逐渐上调,其磷酸化状态依赖于睾丸激素分泌系统相关因子【2】。在Ros1突变体附睾中,ERK1/2信号是下调的,在Nell2 敲除小鼠也是这样。这说明Ros1敲除小鼠和Nell2 敲除小鼠破坏初节分化的机制可能是类似的。

进一步地,作者们希望揭开初节分化受损与雄性不育之间的具体关系。利用先前报道的能够追踪精子射精进入雌性生殖道后的转基因小鼠【3,4】,作者们发现Nell2 敲除小鼠的精子会停留在子宫中而不会进入输卵管内。这些结果说明,Nell2 敲除小鼠的精子在通过子宫卵巢连接处的能力出现了缺陷,这也与Ros1敲除小鼠的表型是一致的。另外,Nell2 敲除小鼠的精子结合卵母细胞外基质也就是透明带的能力缺失。作者们还发现,精子表面跨膜蛋白ADAM3在正常情况下精子运动过程中会被未知的机制切割成为较短版本的成熟蛋白,但是在Nell2 敲除小鼠中,ADAM3的切割过程不能正常发生。因此,这给了作者们一个线索,可能是某个关键性的蛋白酶在Nell2 敲除小鼠精子中ADAM3切割过程出现了一些问题。

通过RNA-seq对可能涉及的蛋白酶基因进行筛选后,作者们鉴定得到了两个表达量降低的蛋白酶,其中OVCH2 (Ovochymase 2)敲除后表现出部分Nell2 敲除小鼠的表型同时该蛋白酶也在体外表现出了对ADAM3的切割活性。而且,OVCH2特异性的表达在附睾初节接近睾丸的位置。这些结果都说明,附睾特异性分泌的蛋白酶OVCH2对于精子中ADAM3的正常切割以及随后的精子生殖能力都是必须的。

总的来说,Masahito Ikawa与 Martin M. Matzuk研究组合作的这篇文章鉴定得到了睾丸激素信号系统中的关键调控因子NELL2,发现NELL2参与ROS1信号通路调节附睾初节的成熟,随后分泌的OVCH2促进ADAM3的正常切割确保精子生殖能力(图1)。该工作鉴定得到了雄性睾丸-附睾-精子的分子信号调节轴NELL2-ROS1-OVCH2-ADAM3,为更进一步的揭开激素分泌调节系统提供了良好的范例。

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图1 雄性睾丸-附睾-精子的信号调节轴NELL2-ROS1-OVCH2-ADAM3功能模式图

原文链接:https://science.sciencemag.org/content/368/6495/1132

制版人:老翅膀


参考文献

1. Sonnenberg-Riethmacher, E., Walter, B., Riethmacher, D., G?decke, S. & Birchmeier, C. The c-ros tyrosine kinase receptor controls regionalization and differentiation of epithelial cells in the epididymis.Genes & development 10, 1184-1193, doi:10.1101/gad.10.10.1184 (1996).

2. Jun, H. J. et al. ROS1 signaling regulates epithelial differentiation in the epididymis. Endocrinology155, 3661-3673, doi:10.1210/en.2014-1341 (2014).

3. Hasuwa, H. et al. Transgenic mouse sperm that have green acrosome and red mitochondria allow visualization of sperm and their acrosome reaction in vivo. Experimental animals 59, 105-107, doi:10.1538/expanim.59.105 (2010).

4. Nakanishi, T. et al. Real-time observation of acrosomal dispersal from mouse sperm using GFP as a marker protein. FEBS letters 449, 277-283, doi:10.1016/s0014-5793(99)00433-0 (1999).

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