新型HRD基序激酶SPE-60调控线虫精子发育与运动能力的分子机制研究

本研究针对精子发育与运动能力调控机制的关键科学问题，通过基因筛选鉴定出线虫新型tau-微管蛋白激酶SPE-60。研究人员发现该激酶通过保守的HRD催化基序参与精子发生(spermatogenesis)和精子活化(spermiogenesis)，其缺失导致精子伪足延伸缺陷和运动障碍。研究揭示了SPE-60在MO-PM融合下游的关键作用，为理解精子功能进化保守性提供了新视角。

　　

在生命繁衍的奥秘中，精子的发育与运动能力犹如一场精心编排的分子芭蕾。然而这场舞蹈的幕后导演——调控精子成熟的关键激酶网络仍存在大量未知。线虫作为经典模式生物，其精子虽无鞭毛却依靠独特的伪足进行"爬行"，这种由主要精子蛋白(MSP)构成的运动系统为研究精子功能提供了独特窗口。既往研究发现，膜性细胞器(MOs)融合和伪足延伸是精子活化的两大标志事件，但连接这两个过程的分子桥梁仍不明确。

《Scientific Reports》最新研究揭开了这一谜题。德国基尔大学分子预防系的Dieter-Christian Gottschling和Frank Dring团队通过系统筛选，发现了一个名为SPE-60的新型tau-微管蛋白激酶。该激酶具有独特的HRD催化基序（组氨酸-精氨酸-天冬氨酸三联体），在精子中呈现动态分布。研究人员采用基因编辑构建缺失突变体，结合活体成像和免疫荧光技术，系统解析了SPE-60在精子发育全过程的功能。特别值得注意的是，通过构建HRD基序关键位点突变体（D144A），首次证实了该激酶催化活性与生育力的直接关联。

关键技术方法包括：CRISPR/Cas9基因编辑构建spe-60缺失突变体(fed118)和点突变体(fed142)；精子特异性标记株spe-60(fed117)用于活体追踪；FM1-43染色检测膜性细胞器(MOs)融合；免疫共定位分析SPE-60与MOs的空间关系；遗传上位性分析明确SPE-60在SPE-8通路中的层级关系。

spe-60编码精子相关激酶

通过转录组分析和基因筛选鉴定出B0207.7基因（后命名为spe-60），其编码蛋白具有典型丝氨酸/苏氨酸激酶结构域。缺失突变体tm5353和fed118均导致线虫自交不育，产卵量锐减至野生型的3%（5±3 vs 239±18），未受精卵母细胞增加7倍，证实SPE-60对生育力不可或缺。

HRD基序的催化功能

序列分析显示SPE-60具有保守的HRD催化三联体（H¹⁴²-R¹⁴³-D¹⁴⁴）。通过CRISPR引入D144A突变后，激酶活性完全丧失，突变体表型与缺失突变体一致，证明HRD基序对SPE-60功能的关键作用。有趣的是，该激酶在神经元也有表达，暗示其可能具有多组织功能。

性别普适的生育缺陷

与雌雄同体类似，spe-60(null)雄性精子完全丧失使spermless突变体fog-2(q71)受精的能力。交叉实验显示突变精子虽能转移至受精囊，但24小时内即被清除，表明其竞争性缺陷源于运动功能障碍而非转移障碍。

时空动态定位特征

SPE-60::GFP标记显示该蛋白呈现发育阶段特异性分布：在初级精母细胞中均匀分布，在精细胞中则与MOs形成精确共定位。值得注意的是，即使催化失活的SPE-60[D144A]仍保持MOs共定位特性，提示其具有独立于激酶活性的结构功能。

精子发生双重缺陷

深入分析发现spe-60(null)呈现双重表型：精母细胞减数分裂异常（85%精母细胞停滞在多染色体簇状态）和精子活化障碍。虽然MOs融合正常（FM1-43染色阳性），但伪足延伸缺陷导致精子运动能力丧失。这种表型与spe-6突变体形成鲜明对比，后者表现为MOs组装异常。

遗传通路层级定位

通过构建spe-6(hc163);spe-60(null)双突变体，发现其表型与spe-60单突变体一致，且保留spe-6特有的提前活化特征。这一关键证据将SPE-60定位在SPE-6激酶下游，专门调控伪足延伸过程。

这项研究首次揭示了HRD基序激酶SPE-60在精子发育中的双重功能：既参与减数分裂进程调控，又是伪足形态发生的必要因子。其与MOs的动态关联为理解精子活化提供了新视角——MOs不仅是储存细胞器，更可能作为激酶活性调控平台。从进化角度看，SPE-60与哺乳动物TTBK1激酶的相似性，暗示了精子功能调控机制的深层保守性。这些发现不仅丰富了精子生物学理论基础，也为男性不育症的机制研究提供了新线索。特别值得注意的是，SPE-60在神经元中的共存表达，可能为神经退行性疾病与生殖功能障碍的关联研究开辟新途径。