小鼠精子中央装置原位结构解析揭示弱精症新机制：CFAP47与HYDIN的分子作用机制

为解决精子运动障碍的分子机制问题，研究人员通过冷冻电子断层扫描(cryo-ET)结合AlphaFold2建模，首次解析了小鼠精子中央装置(CA)近原子分辨率原位结构，鉴定出39个CA相关蛋白（含8个新组分），揭示了CFAP47和HYDIN通过ASH结构域连接C1-C2微管的分子机制。该研究不仅阐明了CFAP47基因突变导致人类弱精症的病理机制，还为纤毛相关疾病提供了结构基础。研究成果发表于《Cell Research》。

　　

精子运动能力是男性生育的关键因素，而中央装置(central apparatus, CA)作为精子轴丝的核心结构，其分子组成和功能机制长期未明。CA由C1和C2两个微管及其周边蛋白组成，在纤毛和鞭毛运动中扮演"机械力分配器"角色。尽管藻类CA结构已有研究，但哺乳动物CA存在显著差异，且分离纯化过程易破坏其天然结构，导致关键区域（如C1-C2桥接区）的结构信息缺失。更棘手的是，约30%男性不育病例表现为弱精症(asthenozoospermia)，其中CFAP47等CA组分突变与疾病相关，但突变如何影响CA组装和功能仍无结构生物学证据。

为解决这些问题，中国科学院生物物理研究所等单位的研究人员采用冷冻电子断层扫描(cryo-ET)技术，结合AlphaFold2预测模型和视觉蛋白质组学方法，首次解析了小鼠精子CA的5.5?原位结构，构建了包含260个微管和206个非微管蛋白链的近完整原子模型。研究发现CA包含39种蛋白，其中GRK3、ANKMY1等8种为首次鉴定的新组分。特别重要的是，研究首次揭示了长链蛋白HYDIN和CFAP47的全长结构：HYDIN通过33个ASH结构域形成半环形链缠绕C1-C2微管，其N端驱动C1-C2连接，C端为C2提供轴向支撑；CFAP47则通过20个ASH结构域形成桥接核心，其N端锚定C1微管，中央的CFAP47-ring与HYDIN相互作用，C端固定于C2微管。基因敲除实验证实，Cfap47缺失会导致小鼠精子运动力显著下降（VCL从102.6降至45.3μm/s），CA桥接区出现空洞样结构损伤。临床研究发现两名中国弱精症患者携带CFAP47新型突变（缺失突变Asp1440Glufs20和无义突变p.W3023），结构模型阐明这些突变通过破坏CFAP47与微管的连接导致CA稳定性降低。该研究不仅填补了哺乳动物CA结构空白，还为相关不孕症诊疗提供了分子靶点，发表于《Cell Research》。

关键技术包括：(1) 通过cryo-FIB milling制备200nm厚的小鼠精子冷冻薄片；(2) 使用Titan Krios G3 300kV电镜收集200组冷冻断层数据；(3) 结合AlphaFold2预测模型和DomainFit工具进行视觉蛋白质组学分析；(4) 构建Cfap47基因敲除小鼠模型验证蛋白功能；(5) 对320例中国弱精症患者进行全外显子测序(WES)筛选突变。

研究结果
原位结构解析
通过优化样品制备和数据处理流程（包括AreTOMO对齐和Warp/M局部重构），获得7.7?（C1微管）和6.6?（C2微管）分辨率的CA结构。与莱茵衣藻CA相比，小鼠CA缺失C1f突起，但保留了完整的桥接区结构。

CA组分鉴定
视觉蛋白质组学分析鉴定出39个CA蛋白，包括8个新组分：GRK3（G蛋白偶联受体激酶）、ANKMY1（锚蛋白重复蛋白）、LRRC43（富含亮氨酸重复蛋白）等。这些蛋白在CA-RS（radial spoke）相互作用区域富集，暗示其可能参与运动调控。

HYDIN全长结构
HYDIN作为CA中最长的蛋白（含33个ASH结构域），其N端（ASH1-18）连接C1微管原丝11与C2微管原丝3，C端（ASH19-33）形成三聚体"HYDIN-ring"复合体，以16nm间隔沿C2微管轴向延伸。其腺苷酸激酶样(ADK)结构域靠近RS4头部，可能调控局部ATP代谢。

CFAP47功能验证
Cfap47敲除导致小鼠精子渐进运动力下降60%，CA桥接区出现动态性损伤：33%粒子保留完整GMCL1(BTBD16)连接密度，56%丢失部分密度。微管间距波动显著增加（10.71±1.45nm vs WT 10.34±0.44nm），证实CFAP47对CA稳定性至关重要。

临床突变分析
患者1的CFAP47大片段缺失（缺失exon28-62）导致CFAP47-ring结构破坏；患者2的p.W3023*突变使C端ASH20结构域缺失，无法锚定C2微管原丝12。两者均表现为典型ANM（正常形态弱精症），但通过ICSI仍可获得可移植胚胎。

结论与意义
该研究通过多学科交叉方法，首次在近原子尺度揭示了哺乳动物CA的组装原理：(1) 不对称周期性（C1-MOSP以32nm为主，C2-MOSP以16nm为主）可能决定纤毛非平面搏动模式；(2) SPACA9在C1/C2微管腔内形成三种螺旋排布（32nm的A-A-A-B和8nm的C型），替代藻类FAP196的稳定功能；(3) CFAP47-HYDIN系统通过柔性连接维持C1-C2动态稳定性，其突变导致"亚临床型"弱精症，而HYDIN突变则引发更严重的纤毛病（如脑积水）。研究建立的视觉蛋白质组学流程，为其他超大分子机器的原位解析提供了范式，相关结构数据（EMDB-60633）已成为纤毛疾病研究的关键参考资料。未来针对CA-RS界面（如GRK3/ANKMY1与RS8相互作用）的研究，有望进一步揭示精子运动的精确调控机制。