公牛精子在睾丸后成熟过程中的蛋白质组动态变化

《BMC Genomics》：Proteomic dynamics of bull sperm during post-testicular maturation

哺乳动物精子在附睾内转运过程中通过与附睾微环境相互作用，逐步获得、丢失或修饰蛋白质组成。本研究采用全基因组测序方法，比较了睾丸精子（TestSperm）、头段附睾精子（CaputSperm）和尾段附睾精子（CaudaSperm）的蛋白质组特征。结果显示：TestSperm富含转录后调控相关过程，可能参与精子发生和分化调控；CaputSperm显著富集于整联蛋白介导的内吞途径和非经典内吞途径，可能促进精子-附睾体相互作用及囊泡融合；CaudaSperm则与特定精子功能（运动性、受精能力）和氧化磷酸化（OXPHOS）相关，反映精子成熟过程中代谢从糖酵解向OXPHOS的过渡。此外，泛素-蛋白酶体系统（UPS）在跨物种的附睾精子中均显著富集，而组蛋白修饰酶在头段附睾精子中的表达提示组蛋白修饰在维持 eviction 与 retainment 平衡中起关键作用。本研究揭示了精子蛋白组重塑在附睾后成熟及功能获得中的核心作用。

　　

摘要

哺乳动物精子在附睾中的成熟过程是通过与附睾环境的连续相互作用来驱动的，这一过程使得精子蛋白质成分得以获取、丢失或发生改变。我们利用鸟枪法蛋白质组学技术，对比分析了睾丸精子、附睾头部精子以及附睾尾部精子的蛋白质组特征。分析结果显示：睾丸精子（TestSperm）中含有2,305种蛋白质，附睾头部精子（CaputSperm）含有2,554种蛋白质，附睾尾部精子（CaudaSperm）含有2,038种蛋白质，其中分别有702种、483种和314种独特的蛋白质。通过对各组蛋白质组进行基因本体论（GO）富集分析，我们将不同成熟阶段的精子与相应的生物学过程关联起来。睾丸精子主要富集在与转录后调控相关的生物过程，这些过程可能与精子的发生和分化机制有关。附睾头部精子的GO富集分析显示，整合素介导的非经典内吞途径显著活跃，这可能有助于精子与附睾细胞的相互作用以及囊泡融合过程。附睾尾部精子则显著富集与精子特定功能（如运动能力、受精能力）相关的生物过程，并且与氧化磷酸化（OXPHOS）过程密切相关，表明精子成熟过程中从以糖酵解代谢为主（睾丸精子的主要代谢方式）逐渐转变为更多依赖氧化磷酸化。进一步的计算机模拟分析揭示了蛋白质如何与这些精子功能/事件（如运动能力、顶体反应/ capacitation、受精以及胚胎发育）相关联。大多数与这些功能相关的蛋白质从睾丸阶段就已存在，并在整个成熟过程中得以保留。有趣的是，泛素-蛋白酶体系统（UPS）相关的降解过程在跨物种的附睾精子蛋白质组中显著富集。最后，我们鉴定出几种精子组蛋白及其变异体，并通过计算机模拟分析发现了每种精子群体中的组蛋白修饰酶。与普遍观点相反，我们的研究结果表明，组蛋白被protamines替代的过程并非在睾丸中完成，而是持续发生在附睾中。在附睾头部精子中检测到组蛋白修饰酶的存在表明，组蛋白的修饰可能在附睾头部更为普遍，这些修饰可能在维持组蛋白的适当平衡中发挥作用。我们的研究强调了精子蛋白质组重塑在睾丸后成熟过程中的关键作用，特别是对精子功能逐步获得的贡献。