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微管蛋白糖基化控制轴索动力蛋白活性,鞭毛搏动和雄性受精

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科学 2021年年1月8日:
卷371,发行6525,eabd4914
DOI:10.1126 / science.abd4914
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糖基化调节轴突动力蛋白

预计微管细胞骨架的生理功能会受到多种翻译后微管蛋白修饰的调节。例如,微管蛋白的糖基化几乎只存在于纤毛和鞭毛中,但其在这些细胞器功能中的作用仍不清楚。加达达 等。 现已在小鼠中证明了糖基化虽然对纤毛和鞭毛的形成没有影响,但可以协调精子鞭毛的搏动波形。这项活动是进行精子游泳并因此促进男性生育的先决条件。在超微结构水平,缺乏糖基化干扰了轴突动力蛋白构象的分布,这可能解释了鞭毛搏动中观察到的缺陷。

科学,这个问题p。 eabd4914

结构化摘要

介绍

微管是真核细胞骨架的关键组成部分。尽管它们涉及多种功能,但在大多数细胞类型和生物体中,微管在结构上高度相似。有人提出,微管蛋白翻译后修饰的组合形成的“微管蛋白密码”使单个微管适应活细胞内的特定功能。但是,仍然缺乏验证该概念的清晰的功能和机械数据。糖基化是微管蛋白翻译后修饰最少的研究之一,迄今为止,糖基化仅在纤毛和鞭毛的微管中发现。先前的工作表明,糖基化对于纤毛和鞭毛可能是必不可少的,但仍缺乏机械学的见解。

理据

来自微管蛋白-酪氨酸连接酶样(TTLL)家族的两种酶TTLL3和TTLL8对启动哺乳动物微管蛋白的糖基化至关重要。为了在生物体水平上完全消除糖基化并确定其生理功能,我们产生了同时缺失两种糖基化酶的双敲除小鼠(Ttll3-/-Ttll8-/-)。这两种酶的失活导致所有分析的纤毛和鞭毛缺乏糖基化。这使我们能够研究糖基化在这些细胞器功能中的作用。

结果

尽管缺乏糖基化 Ttll3-/-Ttll8-/- 在小鼠中,在生物体和组织水平上未观察到明显的缺陷。脑室的活动性室间隔纤毛以及呼吸道的活动性纤毛均存在且表现正常。鞭毛精子也能正常组装,并且精子能够游泳。但是,体外受精试验表明,男性 Ttll3-/-Ttll8-/- 小鼠是不育的。计算机辅助精子分析显示运动能力缺陷 Ttll3-/-Ttll8-/- 精子。进一步的分析表明,缺乏糖基化会导致鞭毛节律紊乱,导致 Ttll3-/-Ttll8-/- 精子主要沿圆形路径游泳。这对于哺乳动物的精子是非常不寻常的,并且会干扰它们到达卵母细胞进行受精的能力。为了确定这种异常鞭毛搏动的分子机制,我们使用了冷冻电子断层扫描。 96 nm重复序列的三维结构 Ttll3-/-Ttll8-/- 精子轴蛋白在其总的组装中没有显示出畸变。相比之下,外部和内部动力因(ODA和IDAs)的结构在 Ttll3-/-Ttll8-/- 鞭毛。分类分析表明,ODA和IDA的中风前和中风后构象的发生率和分布发生了变化。 Ttll3-/-Ttll8-/- 精子。这些超微结构发现表明,糖基化是有效控制动力蛋白的动力冲程周期所必需的,这对于产生生理鞭毛搏动至关重要。

结论

我们的工作表明微管蛋白糖基化通过调节轴突达因蛋白运动活性来调节哺乳动物鞭毛的搏动。缺乏糖基化会导致小鼠精子活动能力紊乱和雄性不育。考虑到人类精子比小鼠精子更容易受到精子运动能力不足的影响,我们的发现暗示微管蛋白糖基化的紊乱可能是人类某些男性不育症的基础。

微管蛋白糖基化控制精子运动。

(A精子鞭毛中的微管富含微管蛋白翻译后修饰。缺少糖基化酶TTLL3和TTLL8的小鼠缺乏糖基化。 (B)哺乳动物的精子以线性路径游泳。在没有糖基化的情况下,观察到异常的,主要是圆形的游泳模式,这阻碍了进行性游泳。 (C缺乏糖基化导致轴突达因构象的分布紊乱。 Ttll3-/-Ttll8-/-鞭毛,阻碍正常鞭毛的跳动。

抽象

微管细胞骨架的翻译后修饰已成为细胞功能的关键调节剂,其干扰已与越来越多的人类病理学联系在一起。微管蛋白糖基化修饰纤毛和鞭毛中的微管,但其功能和机制作用仍不清楚。在这项研究中,我们生成了完全缺乏微管蛋白糖基化的小鼠模型。雄性小鼠由于其精子鞭毛的异常跳动模式而不能生育,这阻碍了精子细胞的正常游动。使用冷冻电子断层扫描,我们发现缺乏糖基化会导致精子轴突内的达因臂异常构象,从而为观察到的功能障碍提供了结构基础。我们的发现揭示了微管糖基化对于控制鞭毛跳动,定向精子游泳和男性生育的重要性。

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