清華大學陳立功團隊發現調控精子代謝及不育新機制

男性不育癥在人群中發生率為10%左右，其中單屬女方因素約為50%，單純男方因素約為30%，男女共有因素為20%。就男性不育來說，精子的質量和運動性對于受孕非常重要，因為只有具有前進運動的精子才可能具有正常的生存能力和受精能力。那么哪些因素影響精子的形態、質量和運動性和育性呢？

近日，清華大學陳立功團隊研究發現，SLC22A14是一個位于精子中段線粒體內膜的核黃素轉運蛋白。如果缺乏這種蛋白將會干擾黃素酶功能，從而抑制氧化磷酸化并重組精子能量代謝，導致雄性不育。該研究近期發表在Cell Reports上。

i研究人員用大鼠進行實驗，敲除野生型大鼠精子中的Slc22a14基因，結果發現脂肪酸β氧化過程出現問題，酰基肉堿和檸檬酸循環代謝物水平顯著降低，但是甘油三酯和游離脂肪酸水平不斷累積，產生三磷酸腺苷（ATP）總量下降。這說明Slc22a14是在精子脂肪酸β氧化和使精子產生能量和運動能力的過程中起調節作用的重要基因。有趣的是，用缺乏核黃素的飲食飼喂野生型大鼠，大鼠的精子與敲除Slc22a14的大鼠精子的狀況相似。這一現象說明改變核黃素濃度會引起精子形態和生物能的異常。

精子是高速運動的，它們持續的運動表明它們需要ATP的量很大，尤其是附睪和射出的精子。ATP由精子糖酵解和氧化磷酸化代謝途徑產生，糖酵解發生在精子主段和頭部的纖維鞘，氧化磷酸化發生在精子鞭毛中段細胞線粒體。在精子中糖酵解酶位于精子主段的纖維鞘。

運動相關的ATP是在線粒體中段產生或在整個精子主段中大量存在。在附睪精子成熟過程中，除了糖酵解，脂肪酸β氧化（FAO）也參與能量產生。人類精子尾部亞細胞蛋白質組已經被揭開，科學家用代謝組方法研究發現，碳水化合物途徑和脂與脂蛋白途徑是人精子中最為活躍的。脂肪酸代謝主要參與精子能量代謝和精子運動。精子中FAO的研究方面仍未有進展，但有研究發現FAO在精子質量和雄性可育方面有很多作用。

敲除Slc22a14引起精子運動力、形態異常，造成雄性大鼠不育。（A）在大鼠和人睪丸中Slc22a14的mRNA水平，紅色：大鼠，藍色：人；（B）敲除Slc22a14后的基因圖譜；（C）使用標準方法對于野生型雌性大鼠交配的雄性大鼠育性分析結果，WT：野生型雄性大鼠，KO：敲除Slc22a14的雄性大鼠；（D）正常精子鞭毛（上）和敲除Slc22a14精子改變了角度的鞭毛（下）的掃描電鏡（i和iii）和投射電鏡（ii和iv）圖像；（F和G）（F）用完整卵母細胞體外受精，（G）敲除Slc22a14精子不能發育產生具有育性的卵母細胞，甚至用人工輔助方法也不能；（H）用卵丘細胞計算雄性大鼠體外受精成功率；（I）出生率評價，WT：野生型雄性大鼠，KO：敲除Slc22a14基因的雄性大鼠；（J）附睪精子頂體免疫熒光染色結果，藍色：使用DAPI，紅色：使用sp56；（K）精子運動參數測定，VAP：平均路徑速度；VSL：直線速度；ALH：頭部側向位移幅值；BCF：鞭打頻率；STR：單元格軌跡直線度；LIN：細胞徑跡線性。

SLC22A14是一種核黃素（Rf）轉運蛋白。（A）HEK-SLC22A14細胞系線粒體代謝組中Rf和Rf衍生化合物水平；（B）精子線粒體Rf含量檢測結果；（C）HEK-EV、HEK-hSLC22A14和HEK-mSlc22a14三種細胞系對放射性Rf的吸收；（D和E）基于PDB：6H7D模板功能區表示法的（D）人SLC22A14同源蛋白3D結構模型和（E）大鼠Slc22a14蛋白結構。（i）人SLC22A14蛋白N端結構域的跨膜區，（iv）大鼠SLC22A14蛋白N端結構域的跨膜區，均由深色表示，（ii）人SLC22A14蛋白C端結構域，用淺色表示，整個模型是外閉塞構造，表面有與Rf對接的區域；（iii）人SLC22A14蛋白中央結合區域處于關閉狀態和（vi）大鼠SLC22A14蛋白中央結合區域處于SLC22A14結合核黃素的結合狀態。

而Slc22a14基因引起大鼠雄性不育機制如下：核黃素是黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、黃素腺嘌呤單核苷酸（FMN）的前體，是FAO、三羧酸（TCA）循環、呼吸電子傳遞鏈（ETC）復合體I和II中許多能量相關酶的輔酶。在精子中段細胞中剪除Slc22a14基因干擾核黃素向線粒體中轉運，使FAD和FMN量減少，抑制黃素酶的數量和活性。結果FAO和氧化磷酸化（OXPHOS）都放慢，ATP產生不足，需要通過糖酵解水平提高來補充ATP量的不足。

總之，這項研究證實了SLC22A14存在失調的狀況。SLC22A14在大鼠精子中段細胞線粒體內膜上促進FAO能量代謝，可引起雄性不育，而不影響雌性大鼠。

參考資料：

Wenhua Kuang，Jie Zhang，Zhou Lan etc. (2021). SLC22A14 is a mitochondrial riboflavin transporter required for sperm oxidative phosphorylation and male fertility. Cell Reports, 35(3).https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109025