Nat Commun丨上海交通大学发表精子发生过程中小鼠睾丸 O-糖蛋白组景观的全局表征

生物科研实验室

蛋白质O-糖基化在精子形成与成熟中发挥关键作用，但由于缺乏对睾丸生殖细胞O-糖蛋白质组的系统表征，其具体调控机制仍不清楚。本研究通过系统性分析小鼠睾丸组织位点特异性O-糖基化修饰，构建了包含349个O-糖蛋白及799个明确O-糖基化位点的图谱。进一步研究发现，O-糖基化修饰在睾丸组织中呈现独特的分布模式，并鉴定出肽酶S1结构域N端附近为O-糖基化修饰的易发区域。 有趣的是，O-糖基化结构在小鼠精子发育过程中呈现动态变化特征，表现为早期发育阶段Tn结构增加而成熟阶段T结构减少。尤为重要的是，O-糖基化修饰可通过调控顶体蛋白的稳定性、酶切加工及蛋白互作影响精子功能。
不育症已成为全球性健康问题，据估计影响全球10–20%的育龄夫妇。中国不孕症患者超过4000万，且仍呈快速增长趋势。在不孕症病例中，约50%由男性因素导至。先天性或后天性因素导至的精子发生障碍是男性不育的主要病因。 精子发生是发生于睾丸生精小管的高度复杂过程：精原细胞通过有丝分裂和减数分裂形成精母细胞、圆形精子细胞，最终分化为长形精子细胞并释放至生精小管腔中。哺乳动物精子表面覆盖着一层20-60纳米厚的糖萼，其中富含N-糖蛋白、O-糖蛋白及糖脂等成分。研究表明，精子糖基化在精子发生、成熟、获能、精卵识别及受精全过程中均发挥关键作用。过去二十年间，基于质谱（MS）技术的快速发展，精子N-糖蛋白的深度表征研究取得显著进展。 多项糖组学与糖蛋白质学研究已系统解析了精子、附睾精子及精浆中N-糖蛋白的组成、N-糖基化位点及N-聚糖结构特征。这些发现进一步揭示了N-聚糖在精子发生中的功能。例如，质谱分析表明精浆中N-聚糖以复杂型结构为主；功能研究证实，复杂型N-聚糖缺失会通过提前激活精子发生晚期基因表达，导至精子发生阻滞。然而，与N-糖基化的大量研究相比，目前针对精子O-糖基化的研究仍较为匮乏。
O-糖基化是最常见且多样化的糖基化类型之一，主要发生于丝氨酸（Ser）或苏氨酸（Thr）。根据与氨基酸连接的首个单糖差异，O-糖基化可分为多种形式。其中，O-GalNAc糖基化（即黏蛋白型O-糖基化）是丰度最高、结构最多样的类型，在细胞分化、组织发育、免疫识别及病毒感染等生理病理过程中发挥重要作用。O-GalNAc糖基化由多肽N-乙酰-α-半乳糖胺转移酶家族（ppGalNAc-Ts，人类含20种同工酶）催化启动，该酶将GalNAc单糖转移至Ser/Thr残基，形成Tn抗原（GalNAc-α1-Ser/Thr）。初始Tn结构可进一步延伸形成最常见的核心1结构（T抗原，Galβ1,3GalNAc-α1-Ser/Thr），或其他核心结构，并逐步延长或分支（图1a）