軸絲是生物體中纖毛的基礎結構，在細胞運動、細胞間通訊、感覺接收和胚胎發育等重要生命活動中具有關鍵作用。在運動纖毛中，軸絲由中央對復合體（CPC）和周圍的9組雙聯微管（DMT）組成，通過徑向輻條（RS）、外動力蛋白（ODA）和內動力蛋白（IDA）等組分相互連接，形成典型的"9+2"結構。軸絲各組分的結構功能異常會導致原發性纖毛運動障礙（PCD）和弱精癥等疾病。精子在受精過程中需要克服黏液阻力和機械外力，因此軸絲的完整和穩定對受精卵的形成至關重要。其中，分布于軸絲外側的9組DMT承擔了重要作用，尤其是DMT內部豐富的微管內蛋白（MIP）在精子游動過程中起到關鍵作用。11月21日，中國科學院生物物理研究所孫飛團隊在《細胞發現》（Cell Discovery）上，在線發表了題為In-cell structural insight into the stability of sperm microtubule doublet的研究論文，報道了小鼠精子軸絲雙聯微管的高分辨率原位結構和搭建的36種MIP的結構模型。這一研究為探討精子運動和男性不孕不育相關疾病的分子機制，奠定了新的結構基礎、提供了新的見解。
精子是一種具有特殊功能和形態的細胞。它攜帶著雄性伴侶的遺傳物質和蛋白質，在受精時與雌性卵母細胞融合。成熟的哺乳動物精子由頭部和長尾巴組成。尾巴被稱為活動纖毛或鞭毛，其中的核心成分是軸絲。軸絲由數百種不同的蛋白質有序組裝在微管結構上，形成各種功能成分。與氣管纖毛不同，哺乳動物的精子依靠鞭毛的有力搏動來克服雌性生殖道中的障礙。為了完成這項任務，精子采用了幾種特殊的特征，如長軸突、螺旋形線粒體和微管內蛋白等。為了剖析哺乳動物精子軸絲的組裝細節，該課題組采用多種先進的原位結構分析技術，如冷凍聚焦離子束（Cryo-FIB）銑磨技術、冷凍電子斷層成像技術（Cryo-ET）、子體積平均技術（STA）、人工智能（AI）結構預測與質譜（MS）相結合輔助建模的技術，解析了小鼠精子軸絲的高分辨率原位結構。該研究在DMT的16 nm重復單元中獲得了4.5~6.5 ?的分辨率，在48 nm重復單元中獲得了6.5~7.5 ?的分辨率，并分別搭建完成了16 nm和48 nm重復單元的結構模型。課題組在48 nm重復單元的小鼠精子DMT中搭建了36種不同的MIP，并發現了這些MIP在強化DMT管腔穩定性中的重要作用。
在眾多的MIP中，科研人員重點關注了由多種Tektin蛋白組成的纖維束核心結構。Tektin蛋白家族包括Tektin1到Tektin5這5個成員。其中，Tektin1到Tektin4已在牛氣管的DMT中被鑒定出。它們相互連接形成細長的纖維，沿著DMT縱向延伸，并形成穩定的纖維束結構。而Tektin5蛋白只在睪丸和精子中特異性表達，在Tektin1到Tektin4纖維束核心的基礎上填充了A管中的密度，形成了更粗壯的纖維束。Tektin5在精子DMT中存在7種不同的結構形態，分別朝向軸絲不同的方向，且它們的蛋白連接位點錯開，進一步穩定了Tektin1到Tektin4纖維束的薄弱之處。在DMT的A管中，一系列輔助蛋白（如NME7、CFAP141、CFAP161、EFHC1、EFHC2、FAM166A、MNS1等）將Tektin纖維束穩定在管壁上。這種結構可能與精子的復雜游動過程相關。由于ODA、IDA、RS和B管均附著在A管上，同時，A管的超穩定性為軸絲運動中各組成部分的相互協調和運動提供了重要的支持作用。
研究顯示，小鼠精子DMT的B管中，SPACA9呈現出一種特定的"5-3-3-4-4-4"排列周期。這個周期與目前發現的其他物種或組織的DMT中SPACA9的排列規律不同，可能與小鼠精子軸絲的特定功能相關。此外，為了探究精子DMT穩定性的結構特征，研究人員還制備了受外力擠壓變形的精子軸絲樣品，并從中解析了精子DMT的另一種原位結構。與天然狀態下的精子DMT結構相比，研究發現DMT中A管的穩定性顯著優于B管。B管在“變形”的過程中大部分已被壓碎，丟失了大部分的MIP密度，而A管幾乎沒有形態上的變化，且其中的MIP也與自然狀態下保持一致。這說明相比于B管，A管對于DMT的穩定性發揮了更大的作用。
該研究還解析了96 nm周期的精子DMT密度圖，確定了IDA、ODA、N-DRC、RS1、RS2和RS3的密度。這些結構信息在分離純化的DMT樣品中無法觀察到。因此，Cryo-FIB、Cryo-ET和STA是探索天然狀態下精子軸絲復雜完整結構的重要研究技術。這些方法可提升科學家對哺乳動物精子運動機制的認知。此外，軸絲異常與弱精子癥和男性不孕癥密切相關。通過研究精子軸絲的原位結構，上述成果可為闡釋人類男性不孕癥發生的分子機制提供新線索。
研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）等的支持。