摘要
精子的阳离子通道(CatSper)对精子的活力和生育能力至关重要1，2．CatSper由成孔蛋白CATSPER1-4和多个辅助亚基组成，包括CATSPERβ， γ， δ， ε， ζ和EFCAB91，3.，4，5，6，7，8，9．在这里，我们报道了从小鼠精子中分离出的CatSper复合物的冷冻电子显微镜(冷冻em)结构。从细胞外的角度来看，CATSPER1-4符合传统的畴交换电压门控离子通道折叠10，按逆时针方向排列。辅助亚基CATSPERβ， γ， δ和ε -每个都包含一个跨膜段和一个大的细胞外域-构成了一个亭子状结构，分别通过与CATSPER4, 1, 3和2的相互作用稳定整个复合物。我们的EM图揭示了一些以前未被描述的成分，例如有机阴离子转运蛋白SLCO6C1。我们将这种通道转运体称为猫精体。这里介绍的CatSpermasome的组装和组织细节为开发与CatSpermasome相关的男性不孕症治疗和非激素避孕药奠定了基础。
这是订阅内容的预览，通过你所在的机构访问
相关的文章
引用本文的开放获取文章。
一种用于解决优化问题的新型人类概念优化器
科学报告开放获取2022年12月14日
精子鞭毛中CatSper通道的三维结构和原位排列
自然通讯开放获取2022年6月17日
访问选项
订阅《自然》+
立即在线访问《自然》和其他55种《自然》杂志
29.99美元
每月
订阅期刊
获得1年的完整期刊访问权限
199.00美元
每期仅需3.90美元
所有价格均为净价格。
增值税稍后将在结帐时添加。
税务计算将在结账时完成。
买条
在ReadCube上获得时间限制或全文访问。
32.00美元
所有价格均为净价格。
数据可用性
小鼠CatSpermasome的冷冻电镜图和相应的原子坐标已按登录代码存入电子显微镜数据库和蛋白质数据库emd - 31076而且7例乙脑,分别。质谱数据已存入海量数据库(https://massive.ucsd.edu/ProteoSAFe/static/massive.jsp)，注册号为MSV0000987325。本研究中分析的所有数据均包含在本文及其补充信息中。任何其他相关资料可根据合理要求从通讯作者处获得。
参考文献
Ren, D.等。精子离子通道精子运动和男性生育所需的离子通道。自然413， 603-609(2001)。
任东，夏涛。钙信号通路在哺乳动物受精中的作用。生理学25， 165-175(2010)。
Quill, T. A.， Ren, D.， Clapham, D. E. & Garbers, D. L.一种在精子中特异性表达的电压门控离子通道。国家科学院学报美国98， 12527-12531(2001)。
Lobley, A.， Pierron, V.， Reynolds, L.， Allen, L. & Michalovich, D.人类和小鼠CATSPER3和CATSPER4基因的鉴定:共同相互作用域的特征和在睾丸中表达的证据。天线转换开关。医学杂志。性．1， 53(2003)。
刘娟，夏娟，赵凯红，Clapham, d.e, Ren D. CatSperβ，一种新型的CatSper通道复合物跨膜蛋白。生物。化学．282， 18945-18952(2007)。
王宏，刘俊，赵凯辉，任东。一种与CATSPER1通道蛋白相关的新型跨膜蛋白CATSPERG。医学杂志。天线转换开关．81， 539-544(2009)。
钟俊杰，纳瓦罗，B.， Krapivinsky, G.， Krapivinsky, L.和Clapham, D. E.一个新的基因需要男性生育能力和功能性CATSPER通道形成的精子。Nat。Commun．2， 153(2011)。
钟，J. J.等。CatSperζ调节精子Ca的结构连续性2 +信号域和正常生育所必需的。eLife6， e23082(2017)。
黄，J. Y.等。EFCAB9对生理pH和钙的双重感知调节精子活力。细胞177， 1480-1494(2019)。
龙，S. B.，坎贝尔，E. B. &麦金农，R. Kv1.2电压传感器:机电耦合的结构基础。科学309， 903-908(2005)。
受精和早期发育中的钙。杂志。牧师．86， 25-88(2006)。
哺乳动物受精的细胞生物学。发展140， 4471-4479(2013)。
王海峰，钟俊杰。精子离子通道和转运蛋白在男性生育和不育中的作用。Nat. Rev. Urol．18， 46-66(2021)。
钟，J. J.等。结构独特的Ca2 +精子鞭毛的信号结构域协调酪氨酸磷酸化和运动性。细胞157， 808-822(2014)。
Seifert, R.等人。CatSper通道控制着海胆精子中的化学感觉。EMBO J．34， 379-392(2015)。
吉田，李志刚，黄志刚。精子趋化性与鞭毛运动的调控2 +．摩尔。哼。天线转换开关．17， 457-465(2011)。
斯特伦克，T.等。CatSper通道介导黄体酮诱导的钙2 +流入人类精子自然471， 382-386(2011)。
李什科，P. V.， Botchkina, i.l. & Kirichok, Y.孕激素激活主Ca2 +人类精子通道。自然471， 387-391(2011)。
阿芬纳留斯，m.r.等。人类男性不育症由CATSPER1通道蛋白突变引起。点。j .的嗡嗡声。麝猫．84， 505-510(2009)。
希尔德布兰德，m.s.等人。遗传性男性不育与CATSPER离子通道突变。欧元。j .的嗡嗡声。麝猫．18， 1178-1184(2010)。
金志荣等。CatSper通路在弱精症发病机制中的作用及针灸治疗弱精症的疗效开展11， 2822-2844(2021)。
阿维丹，N.等人。CATSPER2，一种人类常染色体非综合征男性不育基因。欧元。j .的嗡嗡声。麝猫．11， 497-502(2003)。
张杨，等。感音神经性耳聋与男性不育:一种连续基因缺失综合征。J.医学热内．44， 233-240(2007)。
Luo, T.等。一种新的CATSPER2拷贝数变异导致特发性男性不育，但精液参数正常。嗡嗡声。天线转换开关．34， 414-423(2019)。
王俊霞等。患者CATSPER3突变相关的精子顶体反应失败，通过胞浆内精子注射(ICSI)成功妊娠结局。摩尔,麝猫。染色体组。地中海．9， e1579(2020)。
布朗，S. G.等。男性精子CATSPERE纯合子框内缺失，CatSper功能丧失，受精能力受损。嗡嗡声。天线转换开关．33， 1812-1816(2018)。
奎尔，t.a.等。由CATSPER2驱动的过度活跃的精子活力是受精所必需的。国家科学院学报美国One hundred.， 14869-14874(2003)。
齐，H.等。所有四种CatSper离子通道蛋白都是男性生育能力和精子细胞过度活跃运动所必需的。国家科学院学报美国104， 1219-1223(2007)。
Jin, J.等。Catsper3和Catsper4对于小鼠的精子活力亢进和雄性生育能力至关重要。医学杂志。天线转换开关．77， 37-44(2007)。
Nikpoor, P.， Mowla, S. J.， Movahedin, M.， Ziaee, S. A. M. & Tiraihi, T. CatSper基因在小鼠睾丸产后发育和精子活力不足的不育男性中的表达。嗡嗡声。天线转换开关．19， 124-128(2004)。
龙，J. E，李，M. S.和Blithe, D. L.男性避孕发展:新的激素和非激素方法的更新。中国。化学．65， 153-160(2019)。
程，C. Y.和Mruk . D.非激素男性避孕的新前沿。避孕82， 476-482(2010)。
基里乔克，Y.，纳瓦罗，B.和克拉彭，D. E.精子的全细胞膜片钳测量揭示了一种碱激活的钙2 +通道。自然439， 737-740(2006)。
陶，X，李，A, Limapichat, W.， Dougherty, D. A. & MacKinnon, R.电压传感器中的门控电荷转移中心。科学328， 67-73(2010)。
谢俊峰等。人钠泄漏通道NALCN与FAM155A配合物的结构。Nat。Commun．11， 5831(2020)。
Hagenbuch, B. & Stieger, B. SLCO(前SLC21)超家族的转运体。医学方面．34， 396-412(2013)。
菲茨，D.等人。人睾丸中磺化类固醇的膜转运蛋白-细胞定位，表达模式和功能分析。《公共科学图书馆•综合》8， e62638(2013)。
铃木，T.等。新型大鼠和人类性腺特异性有机阴离子转运体的鉴定和表征。摩尔。性．17， 1203-1215(2003)。
细胞信号转导中的Chansporter复合物。2月列托人．591， 2556-2576(2017)。
李，N. N.等。胰腺atp敏感钾通道的结构。细胞168, 101 - 110。e10(2017).
佩雷斯，g.i.等人。卵巢寿命延长到高龄伯灵顿缺乏。Nat麝猫。．21， 200-203(1999)。
Lei J. & Frank, J.在FEI Tecnai电子显微镜上单粒子重建的自动获取冷冻电子显微照片。j . Struct。医学杂志．150， 69-80(2005)。
郑世强等。MotionCor2:改进冷冻电子显微镜光束诱导运动的各向异性校正。Nat方法。14， 331-332(2017)。
Punjani, A.， Rubinstein, J. L.， Fleet, D. J. & Brubaker, M. A. cryoSPARC:快速无监督冷冻em结构确定的算法。Nat方法。14， 290-296(2017)。
彭贾尼，A.，张，H.和Fleet, D. J.非均匀细化:自适应正则化改进单粒子低温em重建。Nat方法。17， 1214-1221(2020)。
Zivanov, J.等人。在RELION-3中自动高分辨率冷冻- em结构测定的新工具。eLife7， e42166(2018)。
Scheres, S. H. W. RELION:实现贝叶斯方法来确定低温em结构。j . Struct。医学杂志．180， 519-530(2012)。
亚当斯，P. D.等。PHENIX:一个全面的基于python的大分子结构解决方案系统。Acta Crystallogr。D杂志。Crystallogr．66， 213-221(2010)。
戈达德，t.d.等人。UCSF ChimeraX:迎接可视化和分析的现代挑战。蛋白质科学．27， 14-25(2018)。
彼得森，E. F.等人。UCSF chimera -用于探索性研究和分析的可视化系统。j .第一版。化学．25， 1605-1612(2004)。
埃姆斯利，P. &考坦，K.库特:分子图形模型构建工具。Acta Crystallogr。D杂志。Crystallogr．60， 2126-2132(2004)。
斯马特，O. S.， Neduvelil, J. G.，王，X.， Wallace, B. a . & Sansom, M. S. P. HOLE:用于分析离子通道结构模型孔隙尺寸的程序。J. Mol. Graph。模型．14， 354-360(1996)。
杨，J.等。利用预测残基间取向改进了蛋白质结构预测。国家科学院学报美国117， 1496-1503(2020)。
Nicholls, R. A.， Fischer, M.， McNicholas, S. & Murshudov, G. N.用ProSMART进行大分子构象无关的结构比较。Acta Crystallogr。D杂志。Crystallogr．70， 2487-2499(2014)。
Amunts, A.等。酵母线粒体大核糖体亚基的结构。科学343， 1485-1489(2014)。
德拉诺，W. L.PyMOL分子图形系统http://www.pymol.org(2002)。
确认
我们感谢Yan N.和Yu H.对手稿的批判性阅读;蒋敏、汝雅对免疫荧光实验的帮助;西湖大学的低温电子显微镜和高性能计算中心提供低温电子显微镜和计算支持;冯晓峰与西湖大学质谱与代谢组学核心设备进行蛋白质样品质谱分析;以及西湖大学实验动物资源中心的Bao J.， Wu D.，为动物维护和试管婴儿实验提供帮助。这项工作得到了西湖实验室(西湖生命科学与生物医学实验室)(W101486022101)和西湖教育基金会(101486021901)对J.W.的机构启动基金的支持
作者信息
作者及隶属关系
贡献
J.W.构想并监督该项目;S.L.和Y.Z.在z.y和J.W.的指导下制备蛋白质样品;S.L.收集了低温电磁数据，M.K.计算了低温电磁图;J.W.建立了模型;所有作者都对数据分析有贡献;J.W.写了手稿
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
额外的信息
同行评审信息自然感谢匿名审稿人对本工作的同行评议所作的贡献。
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
图1小鼠基因分型、精子共聚焦成像和小鼠精子中猫精体的内源性纯化。
一个，每只小鼠的基因型通过两次PCR反应进行验证。上图为基因分型程序示意图。下图为一组具有代表性的PCR结果。NC，负控(空模板);WT，野生型;KI/+，杂合子敲入;KI/KI，纯合子敲入。共验证野生型小鼠49只，KI/+小鼠676只，KI/KI小鼠207只。b一幅老鼠精子的画。CatSper主要分布在精子主块。c，在敲入小鼠精子的主片段(红色箭头)中检测到EGFP荧光，但在野生型小鼠精子中未检测到。蓝色箭头，精子中间观察到的自发荧光信号。这里显示的是为每个样本拍摄的两张图像中的一张。比例尺，30 μm。d，猫精小体纯化示意图。e，纯化后的蛋白样品进行凝胶过滤分析。猫精体(箭头)的峰值部分被收集和浓缩用于低温em和MS研究。插入，通过银染色在SDS-PAGE上显示交联蛋白样品。将未染色的单独凝胶中相应的蛋白带(箭头)切割出来进行质谱分析。凝胶源数据参见补充图。1．f，用醋酸铀酰染色的猫精子体样品的代表性EM显微照片(阴性染色样品的五张显微照片中有一张)。比例尺，50纳米。
图2纯化的CatSpermasome的质谱分析。
一个， MS样本与用于低温电镜研究的样本相同。MS检测到的蛋白质以信度递减的顺序排列。所有以前描述过的CatSper组件都被列出(黄色)。肽谱匹配(PSM)值最高的前6个条目均为CATSPER蛋白。大多数污染蛋白是细胞骨架蛋白。新鉴定的组分SLCO6C1和CATSPERη用红色标出。TMEM249可能是另一个新组件，显示为浅蓝色。b， CATSPER1、SLCO6C1、CATSPERη和TMEM249特异性肽的代表性MS谱。
图3小鼠CatSpermasome的冷冻电镜分析。
一个，来自16,648张图像数据集的猫精子体冷冻电镜样本的代表性运动校正显微照片。比例尺，50纳米。b，二维班级平均。盒子大小，430 Å。c，三维重建的金标准FSC曲线。对整个蛋白质(整体图谱)和相应图谱的掩膜区域进行曲线计算。看到f对于每张地图。d，最终结构模型的验证。最终细化模型的FSC曲线与它被细化的总和地图(黑色);模型与第一个半图(蓝色)的对比;以及模型与第二个半图(红色)的对比。蓝色和红色曲线之间的小差异表明，原子坐标的细化没有遭受过拟合。e，由cryoSPARC生成的最终重建粒子的角分布。f， EM数据处理流程图(见方法中的“图像处理”)。
图4细胞质区结构特征。
一个细胞质区由两个独立但相互作用的部分组成。细胞质图1与CATSPER2和CATSPER3的S6片段密切接触。在细胞质图1底部环绕的一个密度(绿色所示)与CATSPER3的S6段的密度有关，可能属于CATSPER3的羧基端。由于分辨率有限，胞质图1的身份仍有待确定。然而，胞质图2很可能是EFCAB9和CATSPERζ的亚复合体。这些地图是在ChimeraX中生成的。btFold预测EFCAB9的结构，trRosseta预测CATSPERζ的结构。EFCAB9有两个含有EF-hand基序的叶瓣，这与钙调素非常相似。CATSPERζ主要由α-螺旋组成。c将EFCAB9和CATSPERζ的预测结构对接到细胞质图2。EFCAB9的两个叶瓣呈紧密构象，而不是预测结构中的扩展构象。catper ζ的主体(浅青色在b)可以拟合到细胞质图2中EFCAB9附近的剩余密度。几个合适的α-螺旋用箭头表示。
扩展数据图5 CATSPER1-4的EM图。
一个， CATSPER1-4跨膜螺旋各段电子密度图。每个显示段的边界都有标记。密度，显示为蓝色网格，轮廓为3-4σ在PyMOL。b，选择性过滤器和孔螺旋的电子密度图。密度以4为轮廓σ．两个暂定为Na+离子显示为紫色球体。c，类洗涤剂分子的电子密度图。在生理条件下，这些密度也可能属于胆固醇或类固醇激素。试探性地将三个GDN分子分配到这些密度。密度分布在由CATSPER1的S3、S4和S4 - 5段形成的半开放腔中，而不是由CATSPER2-4段形成的半开放腔中，CATSPER2-4段对应的腔较小。d， CATSPER1 - 4的结构叠加表明CATSPER1具有更大的空腔，用于结合洗涤剂类分子。
图6孔隙域和VSDs的结构细节和序列比对。
一个， CATSPER1-4孔域的整体结构。选择性滤波器中的临界DDDD残差以棒的形式表示。每个S6段包含一个π-helix转弯(红色箭头)。b，小鼠CATSPER1-4、人CATSPER1-4和兔Ca选择性过滤器和孔螺旋的序列比对v1.1.不变的Thr和Trp残基用青色阴影表示。CATSPER1-4选择性过滤器中的DDDD残基和Ca中相应的EEEE残基v1.1用红色高亮显示。c， CATSPER1-4之间的VSDs序列比对。每个段的边界为浅灰色阴影。S4段上的正电荷残基为蓝色阴影，R1-R6位置对应的残基为方框。S2段和S3段上的An1和CTC残基为紫色。d， CATSPER1-4之间的VSDs结构比较。4个VSDs相对于S2上的CTC和An1叠加。为了视觉清晰，省略了S1片段，只显示了S4片段上对齐残基的侧链和R4残基。
图7辅助亚基CATSPERβ、γ、δ和ε的结构
一个CATSPERβ、γ、δ和ε的整体结构具有相似的结构域组织。该结构以卡通形式显示，糖基化位点的糖部分以棒状显示。NTDs、β-螺旋桨结构域、Ig-like结构域、茎结构域和跨膜结构域分别用绿色、蓝色、橙色、黄色和鲑鱼色表示。CATSPERβ的头部结构域和CATSPERε的NTD2结构域分别为石板色和青色。b， CATSPERβ、γ、δ和ε的结构域组织。每个结构域的边界和识别的糖基化位点被标记。二硫键用橙色线表示。参见扩展数据表2获取详细信息。c， CATSPERβ， γ， δ和ε之间的亚基间相互作用，在四个侧面视图中显示。CATSPERβ为域上色，CATSPERγ、δ和ε为如图所示上色。1．由两个相邻子单元形成的侧开口用虚线表示。为了视觉清晰，省略了跨膜螺旋。d，辅助亚基的细胞外视图。通道顶部由CATSPERβ， γ， δ和ε的ig样结构域密封。下图，ig样结构域之间相互作用的特写视图(上图框)。在界面中介导相互作用的残基以棒状表示。氢键用红色虚线表示。e， CATSPERβ、γ、δ和ε跨膜结构域与CATSPER1-4相邻VSDs之间的相互作用。对界面相互作用起作用的残基以棒状表示。潜在的氢键用红色虚线表示。与CATSPERγ和CATSPERδ相比，CATSPERβ和CATSPERε的茎结构域距离相邻的通道亚基更远(双头箭头)。
图8辅助亚基CATSPERβ、γ、δ和ε的代表性EM图。
所选的片段几乎涵盖了CATSPERβ， γ， δ和ε的每个域。代表密度的糖基化位点从每个亚基也提出。密度，显示为蓝色网格，轮廓为4-5σ在PyMOL。
图9 SLCO6C1的结构分析和序列比对。
一个， SLCO6C1及其相邻组分的电子密度图侧视图(左)和中心切片图(右)。地图是在ChimeraX中生成的。b， SLCO6C1以朝外的构象被捕获。该结构以圆柱螺旋卡通模式显示，并按域着色。对，SLCO6C1的N和C结构域各包含6个跨膜螺旋，并且是伪对称的，叠加时的均方根误差为~6 Å。c小鼠SLCO6C1、大鼠SLCO6C1和人SLCO6A1的序列比对。糖基化位点(红色三角形)和可能与CATSPERε相互作用的残基(黄色三角形)在物种间是保守的。对齐序列的uniport id为:mSLCO6C1: Q3V161;rSLCO6C1: G3V7R7;和hSLCO6A1: Q86UG4。
图10 CATSPERη和TMEM249的结构表征。
一个， CATSPERη及其相邻组分的电子密度图侧视图(左)和中心切片图(右)。地图是在ChimeraX中生成的。b， CATSPERη电子密度图。该图谱可以精确地分配大块残基的侧链。密度，显示为蓝色网格，轮廓为4σ在PyMOL。ctFold预测的TMEM249结构与CATSPERη附近的密度完全吻合。该结构具有两个跨膜螺旋和一个β-片(箭头)的细胞质结构域的特征。d， TMEM249分别与catspern和VSD4在跨膜区和细胞质区相互作用。与CATSPERη不同，TMEM249不与CATSPERβ的茎结构域相互作用。
图11野生型精子中代表性CatSpermasome成分的免疫荧光检测。
CATSPER1、CATSPER4、CATSPERβ和TMEM249主要分布在精子主片(红色荧光信号)。精子头、中间部分和主体部分分别用黑色、蓝色和红色箭头表示。NC，阴性对照(无一抗)。这里显示的是为每个样本拍摄的三张图像中的一张。比例尺，20 μm。
权利和权限
关于本文
引用本文
林，S，柯，M，张，Y。et al。哺乳动物精子阳离子通道复合物的结构。自然595， 746-750(2021)。https://doi.org/10.1038/s41586-021-03742-6
收到了：
接受：
发表：
发行日期：
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03742-6
这篇文章被引用
一种用于解决优化问题的新型人类概念优化器
科学报告(2022)
精子鞭毛中CatSper通道的三维结构和原位排列
自然通讯(2022)
精子CatSper离子通道游到更清晰的焦点
自然(2021)
重访雄配子对概念的贡献:建议父母指导
辅助生殖与遗传学杂志(2021)
