NSUN7作为非催化性RNA m5C甲基转移酶通过调控精子鞭毛组装相关mRNAs影响雄性生育能力

《Nature Communications》：NSUN7 is a catalytically inactive RNA m5C methyltransferase essential for sperm flagellum assembly

本研究针对NSUN家族中唯一催化活性不明的NSUN7，通过多组学分析发现其虽具备保守基序但缺乏SAM结合能力，首次揭示其非催化功能在精子轴丝组装和运动性调控中的关键作用，为男性生殖障碍提供了新的机制解释。

　　

在生命科学的精密调控网络中，RNA修饰如同暗物质般神秘而关键，其中5-甲基胞嘧啶（m⁵C）作为最常见的RNA化学修饰之一，由NSUN（NOP2/Sun RNA甲基转移酶）家族蛋白主导催化。这个家族从NSUN1到NSUN7的七个成员中，有六个已被证实能够催化RNA的m⁵C形成，唯独NSUN7的酶活性和生理功能如同家族中的"幽灵成员"，十余年来始终笼罩在迷雾中。尽管早期研究提示NSUN7基因突变与男性不育相关，但其是否真正具有甲基转移酶活性，以及如何参与生殖调控，一直是领域内悬而未决的核心问题。

这项发表于《Nature Communications》的研究，如同一把精准的手术刀，层层剖开了NSUN7的生物学本质。研究人员首先通过组织分布分析发现，NSUN7在成年小鼠睾丸中特异性高表达，且在精子形成的关键细胞——长形精子细胞中富集。这一发现立刻将NSUN7的功能定位聚焦于雄性生殖系统的后期发育阶段。

为破解NSUN7的催化之谜，团队采用了转录组水平的m⁵C质谱分析和超快亚硫酸氢盐测序两种互补技术，对野生型和Nsun7基因敲除小鼠睾丸进行全景式检测。令人惊讶的是，缺失NSUN7并未引起全转录组m⁵C修饰水平的任何显著变化。这一反直觉的结果促使研究者深入分子机制层面，通过比对NSUN家族蛋白的保守结构特征，发现NSUN7虽然保留着甲基转移酶标志性的基序IV和VI，但其基序IV中负责结合S-腺苷甲硫氨酸（SAM，甲基供体）的关键天冬氨酸（Asp）被亮氨酸（Leu）替代。结构生物学分析和体外结合实验证实，这一关键位点的变异使NSUN7完全丧失了SAM结合能力，从分子基础上解释了其催化失活的原因。

那么，这个"失效"的甲基转移酶如何影响精子功能？表型分析给出了清晰答案：Nsun7敲除小鼠虽能正常产生精子，但精子前向运动能力显著受损。进一步的电镜观察揭示了更深层的缺陷——精子鞭毛的轴丝结构出现严重异常，其中"9+2"微管结构中负责机械稳定的纵向柱发生错位。这种超微结构缺陷如同轮船的螺旋桨轴心偏移，直接导致精子运动功能障碍。

通过单细胞RNA测序技术，研究团队在长形精子细胞中捕捉到关键线索：Nsun7缺失导致一组与纤毛组织相关的mRNA水平显著下调。这些mRNA如同精子鞭毛组装的"施工图纸"，其数量减少使得轴丝构建过程失去精准指导。值得注意的是，NSUN7本身虽不催化m⁵C形成，但能通过与这些mRNA的直接互作，以"分子支架"的方式维持其稳定性，从而间接调控鞭毛组装。

主要关键技术方法包括：利用转录组水平m⁵C质谱分析和超快亚硫酸氢盐测序检测RNA修饰谱；通过结构比对和体外结合实验分析蛋白质功能域；采用基因敲除小鼠模型（C57BL/6背景）进行表型验证；运用单细胞RNA测序解析细胞特异性基因表达变化；结合透射电镜观察精子鞭毛超微结构。

NSUN7缺失对精子运动性和超微结构的影响

通过计算机辅助精子分析系统发现，Nsun7敲除小鼠精子前向运动比例下降约50%。透射电镜显示精子鞭毛轴丝中微管双联体排列紊乱，特别是连接外周双联体与中央对的径向辐条缺失，以及纵向柱的定位异常，这些结构缺陷直接解释了运动功能障碍的原因。

NSUN7缺乏催化活性的分子基础

序列比对显示NSUN7基序IV中SAM结合关键位点Asp被Leu取代（第228位）。等温滴定量热法证实NSUN7无法结合SAM，而将NSUN7的基序IV移植到活性NSUN2中，同样使其丧失催化能力，反向验证了该区域的功能决定性。

Nsun7缺失对精子发生转录组的影响

单细胞RNA测序在长形精子细胞集群中发现226个差异表达基因，其中纤毛组装通路基因显著富集。RNA结合蛋白免疫沉淀实验证实NSUN7与Dnaaf5、Cfap43等鞭毛组装因子mRNA直接结合，提示其通过RNA结合域维持靶转录本稳定性。

研究结论与意义

本研究首次确证NSUN7是催化失活的RNA甲基转移酶，阐明了其通过非催化方式调控精子鞭毛组装的新机制。这一发现不仅解决了NSUN家族生物学中最后一个成员的功能悬案，更重要的是拓展了对RNA修饰调控蛋白功能多样性的认知——从传统的"书写器"功能延伸到"分子支架"功能。在医学层面，研究为轴丝缺陷型弱精症提供了新的病因解释和潜在诊断标志物，提示NSUN7突变筛查可能成为男性不育诊疗的新靶点。该工作通过多学科交叉研究策略，实现了从分子缺陷到细胞表型再到机体功能的完整证据链闭环，为研究非催化性RNA结合蛋白的功能提供了范式参考。