保守的Piezo-mRPL2/Jun轴通过调控线粒体生物能量学控制生殖

《Insect Biochemistry and Molecular Biology》：A Conserved Piezo–mRPL2/Jun Axis Controls Reproduction via Mitochondrial Bioenergetics

本研究针对机械敏感离子通道Piezo在生殖调控中的分子机制尚不明确的问题，通过CRISPR/Cas9基因编辑技术构建家蚕BmPiezo基因敲除模型，发现其缺失导致雄性不育和胚胎滞育丧失，并鉴定出线粒体核糖体蛋白L2（BmmRPL2）和转录因子Jun（BmJun）作为关键下游效应因子。研究首次揭示了Piezo通过调控氧化磷酸化通路影响ATP合成的保守机制，且小鼠Piezo2可成功挽救家蚕生殖缺陷，为跨物种生殖障碍治疗提供了新靶点。

　　

在生命演化的长河中，生物体如何感知机械力并转化为生理响应，一直是科学家探索的奥秘。机械敏感离子通道Piezo作为重要的力传感器，虽然已被证实参与听觉、触觉等生理过程，但其在生殖调控中的具体功能和分子机制却如同蒙着面纱，特别是其如何影响精子发生和胚胎发育等关键生殖事件，更是悬而未决的科学问题。以往研究表明，Piezo通道功能障碍与肿瘤、心血管疾病等多种病理状态相关，但对其在生殖健康领域的作用认知仍显匮乏。这种认知缺口不仅限制了我们对生殖生物学基本规律的理解，也可能阻碍了相关不孕不育诊疗新策略的开发。

为了揭开这一谜团，罗江文等研究团队在经典模式生物家蚕中展开了深入探索。研究人员首先通过CRISPR/Cas9基因编辑技术成功构建了BmPiezo基因敲除的家蚕模型。令人惊讶的是，缺失Piezo的雄性家蚕虽然能够正常发育至成虫阶段，却完全丧失了生育能力，而雌性家蚕则表现出胚胎滞育能力的显著下降。这一发现直接证明了Piezo在家蚕生殖过程中发挥着不可或缺的作用。

为了阐明其作用机制，研究团队采用了时序转录组分析技术，对家蚕精子发生关键期的基因表达动态进行了系统监测。结果显示，Piezo缺失导致超过2000个基因表达异常，其中核糖体生物合成和氧化磷酸化通路受影响最为显著。进一步实验证实，Piezo敲除家蚕睾丸组织中的ATP水平显著降低，这为解释其生殖缺陷提供了能量代谢层面的证据。

通过深入分析差异表达基因，研究人员将目光锁定在线粒体核糖体蛋白L2上。功能验证实验表明，BmmRPL2基因敲除不仅重现了Piezo缺失导致的雄性不育表型，还引发了胚胎致死效应，证明了该基因在生殖和胚胎发育中的关键地位。与此同时，转录因子BmJun也被鉴定为Piezo调控网络中的重要组成部分，其缺失同样导致家蚕胚胎滞育能力的显著下降。

最具突破性的发现来自于跨物种功能验证实验。研究人员将小鼠Piezo2基因导入家蚕Piezo敲除个体后，不仅成功恢复了BmmRPL2和BmJun的表达水平，还显著提升了ATP产量，最终挽救了家蚕的生殖缺陷。这一结果不仅证明了Piezo-mRPL2/Jun调控通路的进化保守性，更为理解机械传感与线粒体能量代谢在生殖调控中的内在联系提供了全新视角。

在技术方法层面，本研究主要运用了CRISPR/Cas9介导的基因敲除技术构建家蚕突变体，通过时序转录组测序分析基因表达谱，采用ATP检测试剂盒定量能量代谢水平，并利用转基因技术进行跨物种基因功能互补验证。所有实验均以家蚕品种大造为研究对象，确保了研究结果的可比性和可靠性。

BmPiezo突变导致家蚕雄性不育和胚胎非滞育

通过设计特异性sgRNA靶向Piezo结构域，研究成功获得了两类BmPiezo突变家蚕品系。其中356-bp缺失突变体表现出完整的雄性不育特性，而雌性个体与野生型雄蚕交配后产生的后代出现滞育率显著下降的现象。解剖学观察发现突变雄蚕精巢结构异常，虽然交配后精液可进入雌蚕交配囊，但无法正常转移至受精囊，证实了精子发育和转移过程存在缺陷。

转录组学揭示Piezo介导的线粒体调控生殖机制

时序转录组分析显示，Piezo缺失导致基因表达呈现动态波动模式，第二天差异表达基因数量达到峰值。功能富集分析表明核糖体生物合成和氧化磷酸化是受影响最显著的通路，这与ATP水平检测结果相吻合。差异表达基因中的BmmRPL2引起了研究者特别注意，该基因编码线粒体核糖体蛋白，其持续低表达提示其可能参与Piezo调控的能量代谢过程。

BmmRPL2作为Piezo调控生殖的关键效应因子

组织表达谱显示BmmRPL2在睾丸和卵巢中高表达，暗示其参与生殖调控。基因敲除实验证实BmmRPL2缺失导致与Piezo敲除类似的雄性不育表型，且纯合突变引发胚胎致死，表明该基因对胚胎发育具有不可或缺的作用。杂合突变个体的胚胎滞育率也出现下降，但程度较Piezo敲除为轻，提示可能存在其他补偿机制。

BmJun作为Piezo介导滞育调控的关键效应因子

表达分析发现BmJun在五龄幼虫和蛹期的生殖组织中活跃表达。通过双靶点CRISPR/Cas9策略获得BmJun突变体后，发现其杂合自交后代滞育率显著降低，而纯合突变导致胚胎发育异常和致死。这表明BmJun不仅参与滞育调控，还对正常胚胎发育至关重要。

跨物种Piezo通道在生殖中的功能保守性

系统进化分析显示BmPiezo与Piezo2亲缘关系更近。人类睾丸单细胞测序数据进一步揭示Piezo2在早期精母细胞中高表达。功能互补实验证明，小鼠Piezo2转基因表达可成功挽救家蚕Piezo敲除个体的生殖缺陷，恢复BmmRPL2和BmJun表达水平，并提升ATP产量。这一发现强有力地证实了Piezo-mRPL2调控轴在物种间的功能保守性。

这项研究的讨论部分深入阐述了Piezo通道在生殖调控中的核心地位。研究表明，Piezo通过调控线粒体能量代谢影响精子发生，其中Piezo-mRPL2轴在维持氧化磷酸化过程中发挥关键作用。这一机制在人类中同样存在，Piezo2和MRPL2在早期精母细胞中的共表达提示其在人类生殖中可能具有相似功能。同时，Piezo-Jun轴通过调节活性氧代谢参与滞育调控，这为理解环境适应与生殖策略的进化联系提供了新视角。

值得注意的是，Piezo作为高度保守的机械敏感通道，其功能网络具有显著稳健性。这种稳健性不仅体现在基因功能的保守性上，还反映在其对多种生理过程的协调调控能力。研究发现，虽然单个基因突变可能导致严重表型，但跨物种基因互补仍能恢复功能，这表明核心调控网络具有强大的进化保守性。

该研究的创新性在于首次系统阐明了机械传感与线粒体能量代谢在生殖调控中的内在联系，揭示了Piezo-mRPL2/Jun这一保守通路的工作机制。这些发现不仅深化了对生殖生物学基本规律的认识，也为相关生殖障碍疾病的诊断和治疗提供了新的分子靶点。特别值得一提的是，跨物种基因互补的成功实现，为进化医学研究提供了重要范例，展示如何利用模式生物研究来揭示人类生殖健康的保守机制。