核糖體是最重要的聚合酶之一，以信使RNA（mRNA）為模板，氨酰化tRNA（aa-tRNA）為底物，合成蛋白質(zhì)的工廠。核糖體在每個(gè)哺乳動(dòng)物的細(xì)胞中有百萬(wàn)至千萬(wàn)的拷貝【1,2】。核糖體本身也占有細(xì)胞的大量物質(zhì)占比，核糖體RNA（ribosomal RNA, rRNA）占所有細(xì)胞類(lèi)型中總RNA的80-85%，核糖體蛋白（ribosomal protein, rProtein）在哺乳動(dòng)物中占總蛋白量的5-10%，總蛋白拷貝數(shù)的10-20%【1】（圖1）。
(相關(guān)資料圖)
圖1.核糖體結(jié)構(gòu)圖與核糖體參與蛋白質(zhì)合成工作原理圖
（A) 核糖體以信使RNA（mRNA）為模板，氨酰化轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（aa-tRNA）為底物，合成蛋白質(zhì)的工廠。（B）tRNA在核糖體內(nèi)移動(dòng)，是蛋白質(zhì)合成工廠中生產(chǎn)線上的物流【3,4】 （C）核糖體的基本結(jié)構(gòu)與細(xì)胞內(nèi)拷貝數(shù)、占有物質(zhì)的比例【1】
2022年12月14日，南京醫(yī)科大學(xué)沙家豪、郭雪江團(tuán)隊(duì)與中科院生物物理所秦燕團(tuán)隊(duì)合作在Nature上發(fā)表了文章 “A male germ-cell-specific ribosome controls male fertility”，發(fā)現(xiàn)精子發(fā)生中的新型核糖體（RibosomeST）能夠產(chǎn)生精子特異蛋白組。
核糖體為直接20~30nm的近球體，在細(xì)胞的高分辨成像中，可以看到核糖體的廣泛分別（圖2）。在快速增殖的細(xì)胞中，核糖體占有的物質(zhì)、能量比例更高，組織細(xì)胞發(fā)生發(fā)展、決定細(xì)胞命運(yùn) (秦燕課題組2022年7月在Science Bulletin綜述【5】)。特殊的核糖體能夠產(chǎn)生特殊的蛋白組，從而決定細(xì)胞的功能和命運(yùn)，是近年來(lái)的重要命題，對(duì)理解細(xì)胞功能的主要載體-蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，是追根溯源的問(wèn)題：核糖體如何決定蛋白組。
圖2.（A）冷凍電子顯微鏡呈現(xiàn)的不同細(xì)胞原位狀態(tài)下的核糖體。（B）聚焦離子束顯微鏡結(jié)合人工智能技術(shù)重塑細(xì)胞成分。【3】
在雄性生殖細(xì)胞中，核糖體大亞基蛋白L39，在精子發(fā)生的減數(shù)分裂后會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移并使用L39L的形式在核糖體上。該研究發(fā)現(xiàn)L39是核糖體大亞基新生肽鏈通道上的重要成分，L39L替換L39后，這個(gè)通道可以變寬很多，有利于精子成熟中大量正電蛋白的產(chǎn)生。那么核糖體L39如何決定精子生殖蛋白組？
研究人員通過(guò)L39L型核糖體（RibosomeST）和普通L39型核糖體（Ribosome）的超分辨cryo-EM結(jié)構(gòu)解析（分辨率在L39的2.82埃，L39L的3.03埃），發(fā)現(xiàn)核糖體大亞基新生肽鏈通道上的重要成分，L39L替換L39后，這個(gè)通道可以變寬很多，有利于精子成熟中大量正電蛋白的產(chǎn)生。
圖3 精子發(fā)生中的特殊核糖體-ribosomeST， 由L39L（右圖，紅色蛋白）替換普通的L39（右圖，紫色蛋白），導(dǎo)致核糖體新生肽鏈通道變寬，有助于精子發(fā)生中大量帶正電新生肽鏈的產(chǎn)生。
精子發(fā)生是物種繁衍的核心功能，少弱精癥是近年來(lái)的重要國(guó)民健康問(wèn)題，該研究將會(huì)為相關(guān)疾病提供重要標(biāo)記物和治療靶點(diǎn)。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05508-0
參考文獻(xiàn)：
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（原標(biāo)題：秦燕課題組與合作者發(fā)現(xiàn)精子發(fā)生中的新型核糖體（RibosomeST）能夠產(chǎn)生精子特異蛋白組）
標(biāo)簽： 沙家豪、郭雪江
