大多數(shù)哺乳動(dòng)物雄性與雌雄生殖道之間存在一個(gè)天然的滲透壓差（以小鼠為例：雄性附睪~415  mOsm,  雌性子宮~310  mOsm）。精子從雄性生殖道進(jìn)入雌性生殖道，經(jīng)歷了一個(gè)生理狀態(tài)下的“低滲應(yīng)激”。這種應(yīng)激一方面有利于激活精子運(yùn)動(dòng)（從進(jìn)化上保留了魚類精子的特征），但低滲環(huán)境同時(shí)也是一把“雙刃劍”，可導(dǎo)致精子細(xì)胞過度腫脹對(duì)其功能產(chǎn)生潛在傷害。為了消除低滲導(dǎo)致的負(fù)面影響，精子在進(jìn)化中形成了一套高效的液體調(diào)節(jié)系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)這種生理性“低滲應(yīng)激”導(dǎo)致的細(xì)胞腫脹。然而，在此過程中起關(guān)鍵作用的精子蛋白尚未被發(fā)現(xiàn)。

動(dòng)物研究所段恩奎研究組與浙江省醫(yī)學(xué)科學(xué)院石其賢教授，吉林大學(xué)白求恩第二醫(yī)院麻彤輝教授合作研究發(fā)現(xiàn)：一個(gè)水通道蛋白（AQP3）在小鼠和人的精子尾部呈現(xiàn)特異的細(xì)胞膜定位。AQP3缺陷的精子在進(jìn)入雌性生殖道后，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)激活，但很快表現(xiàn)出大量精子尾部發(fā)生彎曲變形。滲透壓梯度實(shí)驗(yàn)及精子游動(dòng)中實(shí)時(shí)錄像監(jiān)測(cè)等手段進(jìn)一步證實(shí)，AQP3缺陷精子對(duì)低滲導(dǎo)致的細(xì)胞膨脹抵御能力下降，在相對(duì)低滲的雌性生殖道環(huán)境中發(fā)生細(xì)胞膜進(jìn)行性膨脹，進(jìn)而對(duì)精子尾部產(chǎn)生機(jī)械性牽張并最終導(dǎo)致尾部變形。體內(nèi)外功能實(shí)驗(yàn)表明，由于存在尾部缺陷，大量AQP3敲除鼠精子不能有效地穿越子宮-輸卵管結(jié)合處狹部，導(dǎo)致精子進(jìn)入輸卵管與卵子相遇的機(jī)會(huì)降低，從而表現(xiàn)出雄性小鼠生育力下降。

Figure.1 Immunofluorescence staining of AQP3 (green signal) reveals intensive localization at principal piece of mouse and human sperm tail.

Figure.2 Time-lapse imaging reveals sperm tail bending (Aqp3 null sperm) process forced by progressive membrane expansion upon physiological hypotonic stress. The cell swelling begins at cytoplasmic droplet (indicated by arrows). Note the wildtype sperm only shows mild swelling.

此研究首次揭示了AQP3是精子在雌性生殖道中實(shí)現(xiàn)低滲適應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵蛋白，在“低滲應(yīng)激”介導(dǎo)的精子運(yùn)動(dòng)激活和細(xì)胞過度腫脹這一對(duì)利弊權(quán)衡（trade-off）中起到消除負(fù)面影響的作用，從而最大優(yōu)化精子功能。鑒于AQP3在人精子中的表達(dá)與小鼠呈現(xiàn)相同模式，其在男性不育/低生育力患者中的作用尚待進(jìn)一步研究。

本研究于12月7日在線發(fā)表于Cell  research。本研究得到了國(guó)家“發(fā)育與生殖”重大科學(xué)研究計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新方向性項(xiàng)目資助。