专家点评Cell Research丨孙飞/朱赟/陈苏仁/林婷婷解析哺乳动物精子鞭毛轴丝中央微管原位结构

点评丨隋森芳( 清华大学 )、朱学良( 中国科学院生物化学与细胞生物学研究所 )、孙斐( 浙江大学医学院附属邵逸夫医院 )

受精卵是生命起点，而精子能否“长途跋涉”与卵子相遇，是这一生命奇迹诞生的先决条件。不孕不育困扰着全世界约 1/6 的育龄夫妇，是全球重大医学难题。弱精症是男性不育最常见的原因之一，表现为精子运动能力缺陷。 精子鞭毛具有标志性的 “9+2” 轴丝结构，由 9 组微管二联体围绕中央微管（ Central Apparatus,CA）组成，通过动力蛋白臂 所介导的 轴丝微管相互之间滑动 ，促使精子鞭毛摆动，进而产生精子游动。 轴丝 直径约 200 纳米，是真核细胞内最复杂的分子机器之一。 精子 轴丝的 运动由几百种蛋白质精密协作来完成，相关基因突变和结构异常 是弱精症的常见致病原因 。

目前针对精子 轴丝的 微管二联体 及其附属结构 的 分子组成、组装及运动调控的分子机制 研究较为深入。 2023 年，张锐课题组 与Zeev-Ben-Mordehai课题组合作在Cell期刊上发表了标题为 Structural specializations of the sperm tail 的论文【1】。 该研究利用 冷冻电镜解析了海胆和牛精子鞭毛轴丝微管 二联体 的结构，鉴定出 60 多种组分蛋白，其中 16 个蛋白 被报道 与男性不育相关。在同一期，吴建平/桂淼/刘明兮团队 发表了标题为 Structures of sperm flagellar doublet microtubules expand the genetic spectrum of male infertility 的论文， 报道了小鼠和人的精子鞭毛轴丝微管 二联体 的冷冻电镜结构，并结合临床数据定义了一类新型的弱精症亚型 —— 微管结合蛋白 突变相关弱精症 （ 简称 MIVA ）【2】。 2 025 年 ，张锐课题组与Zeev-Ben-Mordehai课题组 、AlanBrown课题组合作在Nature期刊上 发表了题为 Structural diversity of axonemes across mammalian motile cilia 的论文 ， 解析并且横向比较了哺乳动物体内 3 种主要的纤毛类型 （ 输卵管纤毛 、 脑室 管膜 纤毛 、 精子鞭毛 ） 的高分辨结构 ， 把目前已建模的轴丝结构组分蛋白总数提高到了 181 个【3】。

图 . 精子鞭毛轴丝中央微管的示意图

在精子的运动过程中， 中央微管 起到了中央枢纽的调节作用。 长期以来，研究人员针对不同生物纤毛 / 鞭毛中央微管的结构展开了深入研究。 然而，由于 中央微管具有组分复杂且动态性强的特性，目前已获得的中央微管原位结构分辨率均处于 26 埃以下水平， 仅能对其整体形态进行观察。 2 022 年， 张凯课题组和张锐 /Alan Brow 合作团队 分别从衣藻纤毛中纯化得到 C 1 和 C 2 微管分离的 中央微管 样品，并借助冷冻电镜单颗粒技术解析了其高分辨率结构，为 中央微管组分研究提供了重要的基础信息【4,5】。然而，此类样品存在结构破坏的情况，直接导致中央微管的完整组装信息难以被解读。此外，单细胞真核生物和哺乳动物的中央微管组成存在显著差异，这使得该研究成果难以直接为人类弱精症的诊疗提供参考。

202 5 年 6 月 5 日， 中国科学院生物物理研究所孙飞课题组 联合北京师范大学陈苏仁教授、重庆市妇幼保健院黄国宁/林婷婷等团队 ， 在 Cell Research 杂 志发表题为

In situ

structure of the mouse sperm central apparatus reveals mechanistic insights into

asthenozoospermia

孙飞 课题组 长期致力于冷冻电子断层成像技术的开发与应用， 2 023 年 成功解析了小鼠精子 鞭毛轴丝微管 二联体 的 高分辨率 原位结构 ，局部分辨率最高达 4 .5 埃【6】。 在本研究中 ， 该团队 利用原位冷冻电镜技术，结合 AlphaFold2 等人工智能蛋白质结构预测技术，克服样品制备、数据采集和图像处理方面的技术难题，首次解析出小鼠精子轴丝中央微管的高分辨率原位结构（局部分辨率最高达 5.5 埃 ）。该研究清晰呈现了C1-C2微管及其内外结合蛋白的组装模式，搭建出包含466个蛋白亚基的结构模型，鉴定出39种不同的组成亚基，其中8种（ GRK3 、 ANKMY1 、 LRRC43 、 GOT1L1 、 LRRD1 、 MAP1S 、 GMCL1/BTBD16 和 SPACA9 ）为全新发现的精子轴丝中央微管组分。

图 . 小鼠 精子 鞭毛 轴丝中央 微管 的原位结构 组成 示意图

在中央微管 结构中 ， CFAP 47 和 HYDIN 是 两个关键组分， 二者均 是长链状的 ASH 结构域组成蛋白。 该 研究 首次 解析了 这两种蛋白的 全长结构 ， 精准阐明了它们 协同构 筑柔性 连接 桥梁从而发挥稳固 C1-C2 微管的关键作用。具体而言， HYDIN 在 C1 和 C2 微管 外侧环绕形成半圆形结构 ，其 氨基 末端参与强化 C1–C2 连接， 羧基 末端则在 C2 微管 中提供轴向支撑。 CFAP47 构成了 中央微管连接 桥的主体结构， 其 氨基 末端结构域与 C1 微管 结合，通过中央的 CFAP47 环与 HYDIN 相互作用，并通过 羧基 末端与 C2 微管 相连。 为了进一步证实 CFAP 47 与弱精症的关系， 研究 人员还 解析了 Cfap 4 7 基因敲除小鼠精子 鞭毛 轴丝 的 原位结构， 发现 CFAP 47 缺失导致中央微管连接桥空洞化， 并结合临床弱精症患者数据阐明了CFAP47基因突变导致精子运动障碍的致病机理。

综上，该研究首次揭示了哺乳动物精子轴丝中央微管的精细组装机制，并系统阐释了中央微管组成蛋白结构缺陷导致精子运动障碍的致病机理，运用“高分辨原位结构+动物模型+临床数据”三位一体的研究策略，为弱精症的精准诊疗提供了新的见解。

中国科学院生物物理研究所孙飞研究员、朱赟研究员与 北京师范大学陈苏仁教授 为本文的通讯作者。 朱赟 研究员 与 重庆市妇幼保健院林婷婷 研究员 为本文的共同第一作者。 中国科学技术大学张志勇教授 团队 和 ‌ 国家卫生健康委员会科学技术研究所 王彬彬教授 为 该 研究提供了重要帮助。

专家点评

隋森芳 （中国科学院院士，清华大学生命科学学院教授）

冷冻电镜单颗粒技术 的分辨率革命 将生物大分子复合物结构研究推向高峰 ，也为解析纤毛轴丝这类巨大又复杂的生物大分子的结构提供了关键手段。 自 2017 年起，美国哈佛医学院 Alan Brown 课题组 联合 圣路易斯华盛顿大学张锐课题组， 利用冷冻电镜单颗粒技术， 以莱茵衣藻、牛气管组织、人呼吸道上皮细胞为材料， 通过分离纯化轴丝的不同组分， 先后解析了双联微管、 R adial spokes 、外臂动力蛋白 等复合物结构 。 特别在 2025 年初，他们合作 解析并且横向比较了高等哺乳动物体内 3 种主要的纤毛类型 （ 输卵管纤毛，脑室纤毛，精子鞭毛 ） 的高分辨结构 ， 一共报道了 34 个新的组分蛋白，把目前已建模的轴丝结构组分蛋白总数 提升至 181 个 ， 极大加深了我们对纤毛及相关纤毛病分子机制的理解 。 然而，分离和纯化过程 有可能会 破坏 轴丝 的 整体 结构， 从而缺失某些组分，因此轴丝的原位高分辨结构对于 全面理解 其 组装是 非常 必要的。

近年来， 冷冻电子断层成像（ cryo-ET ）等原位结构生物学技术迅猛发展，使 直接 在细胞甚至组织 环境中 解析生物大分子高分辨率原位结构成为可能， 为理解复杂生命活动的分子机制提供了全新视角。 另一方面， 以 AlphaFold 为代表的人工智能结构预测算法 取得突破性进展， 标志着结构生物学正从传统的单一大分子或复合物结构解析时代迈向新的发展阶段。在此背景下，可视蛋白 质组学（ Visual Proteomics ）技 术应运而生 ，其核心目标是 通过精准 解析 细胞内蛋白质的原位结构与空间分布，构建细胞蛋白质组的可视化空间 分布与 结构功能图谱。 实现这一目标的关键 在于 以 cryo-ET 为核心的原位冷冻电镜技术 。 该技术能够捕捉细胞在近生理状态下的三维 “ 分子快照 ” ， 完整 保留细胞内 所有 分子网络的空间信息。 通过将这些原位结构数据与质谱鉴定的蛋白质组成信息、已知的高分辨蛋白质结构数据 库 及人工智能算法（如结构预测、分子对接）深度融合，可实现对细胞内蛋白质组的三维空间可视化重构，直观呈现蛋白质间的动态互作网络与功能模块分布。

孙飞团队长期从事原位结构生物学技术的开发与应用。 针对 制样阶段的 技术瓶颈 ，他们 在国际上较早研发了 冷冻聚焦离子束技术 D -cryoFIB ； 开发了组织样品冷冻含水 切片制备技术 VHUT-cryo-FIB ，将原位结构生物学的研究对象从单细胞拓展到更接近于生理状态的组织样品 ； 在精准导航定位冷冻电镜成像方面，研发了基于真空冷台的冷冻光电关联技术 HOPE-cryoCLEM ，并在此基础上进一步将光学系统升级为结构光照明显微镜研发了分辨率和精度更高的冷冻光电关联技术 HOPE - SIM -cryoCLEM ；发明了基于原位荧光实时监控的靶向聚焦离子束加工技术 ELI-TriScope ，实现了中心体 这类高难度目标 在细胞原位的精准靶向 制样及 原位结构 解析；在数据自动化处理方面，他们合作 开发了电子断层系列图像对齐算法 MarkerAuto ，弥补缺失锥信息的电子断层三维重构算法 ICON 和 FIRT ， 三维冷冻电子断层扫描图像中自动挑选颗粒 的算法 DeepETPicker 等 。 如今，他们已经建成了完整的原位冷冻电镜样品制备、数据收集和结构解析流程，在核膜孔复合体、小鼠精子轴丝、骨骼肌三联体通道蛋白、冠状病毒包膜蛋白、蓝藻羧酶体等重要生物大分子复合体的原位结构研究中取得系列创新成果。

这次孙飞团队合作完成的小鼠精子轴丝中央微管原位结构研究整合了 原位冷冻电镜技术 、 人工智能蛋白质结构预测技术 和质谱技术，是可视蛋白质组学研究的一项典型范例。 团队借助最先进的原位冷冻电镜技术 ， 克服样品制备、数据采集和图像处理方面的技术难题，首次解析出小鼠精子轴丝中央微管的高分辨率原位结构（局部分辨率最高达 5.5 Å ） ， 清晰呈现了 中央微管对之间 及其内外结合蛋白的组装模式。该研究 搭建出 近乎完整的 精子轴丝中央微管 原子模型 ： 包含 466 个蛋白亚基，鉴定出 39 种不同的组成亚基，其中 8 种为全新发现的精子轴丝中央微管组分。 在结构解析中， 团队突破了中等 分辨率下建模的 瓶颈：通过综合应用AlphaFold2预测的高精度蛋白/蛋白复合体三维结构模型、质谱检测数据以及DomainFit和DomainSeeker等蛋白结构检索工具，实现了目标蛋白的高精度指认和结构模型的快速搭建。未来，随着可视化蛋白 质 组 学技术的 进一步 发展， 解析 精子轴丝完整复合体的高分辨率原位结构 ，以及直接分析 病理状态下 的结构 缺陷轴丝样品 ， 有望 成为现实 ，这将为弱精症等相关疾病的诊疗带来重要变革。

专家点评

朱学良 （ 中国科学院分子细胞科学卓越创新中心/生物化学与细胞生物学研究所，研究员 ）

动纤毛（长且少的通常称为鞭毛）是起源于现存所有真核生物共同祖先的毛状细胞器。当地球上的真核生物还仅仅以单细胞的方式生存于海洋中时，纤毛的出现以其迅速摆动产生的强劲推力使生命实现了运动自由。在随后数亿年的生命进化中，纤毛也被多细胞生 物继承和发展。 它们不仅仍然驱动很多后生动物（即多细胞动物）个体的运动，还在大多数动物体内负责管腔液的流动。在哺乳动物中，它们富集于气管、脑室、附睾和输卵管等的上皮组织，负责清洁气道、促进脑脊液循环、输送精子和受精卵等。而且，绝大多数后生动物都依赖由鞭毛驱动的精子进行有性生殖。即使在植物界，从藻类到部分裸子植物的有性生殖也靠纤毛驱动的精子。因此，纤毛运动功能的失调会普遍导致生命活动的异常，而相关遗传缺陷在人类中则表现出包括复发性呼吸道感染、中耳炎、不孕、不育、脑积水、内脏倒位或异位等多系统病症，即原发性纤毛运动障碍。通常，较轻微的异常主要导致精子鞭毛的畸形或活力低下。

纤毛是结构精美、复杂的纳米运动器械。它们通常具有由九根二联体微管 (DMT) 围绕中央微管对 ( CP) 的所谓 9 +2 型轴丝结构。 DMT 上以 9 6 纳米为周期排列着由 4 组外动力臂、 7 组内动力臂和 3 种辐射轴组成的重复结构。动力臂是微管依赖性的分子马达，通过消耗 ATP 使邻近的 DMT 之间产生相对滑动，为纤毛摆动提供动力。 CP 则与蛋白质复合物形成的周期性网状结构 ( 称为突起 ) 共同组成了中央器。 CP 打破了轴丝的旋转对称性，而结合在其两根 ( C1 和 C 2 ) 微管上的不同复合物进一步使中央器具有各向异性。中央器的这些差异通过辐射轴传递到动力臂，触发动力臂活性的协调变化，使纤毛在垂直于 CP 平面的方向上产生来回摆动，这样才能驱动细胞 ( 包括精子 ) 和个体的定向运动和胞外液的定向流动。缺失中央器的哺乳动物纤毛只能转动。因此，中央器是调控纤毛摆动的核心装置。

尽管大量研究者数十年的探索已经让我们对动纤毛有了深刻的认识，但其精细结构日益成为瓶颈。近年来随着冷冻电镜技术的发展和蛋白质结构预测能力的提高，使人们有能力解析、搭建轴丝的高分辨结构模型，并原位鉴定出新组分，从而革命性地推动了认识的进步。但是，之前的工作主要集中于单细胞原生生物衣藻和哺乳动物纤 / 鞭毛 DMT 及其附属物的精细结构【1-7】，对于中央器，仅搭建出衣藻的结构模型【8, 9】。 轴丝的基本结构虽然具有进化保守性，但物种跨度越大，精细结构和运动性的差别也越明显。衣藻轴丝 9 6 纳米的重复单元中只有两个完整的辐射轴，且负责与中央器接触并“感受”其形貌信息的辐射轴头部与后生动物的差异很大【2, 7】，提示衣藻中央器的结构模型并不适用于后生动物纤毛摆 动的调节机理研究。 该篇 Cell Research 论文【10】中，孙飞 / 朱赟研究员团队联合北京师范大学生命科学学院陈苏仁教授课题组和临 床单位，成功解析出小鼠精子鞭毛轴丝中央器最高 5.5Å 分辨率的原位结构，鉴定出其中数十种结构蛋白，包括 8 种新的结构组分，并阐释了它们在中央器突起中的精确位置和部分相互关系。这不仅是哺乳动物，也是多细胞生物中首个报道的纤毛中央器精细结构，其重要性不言而喻。

该论文还重点解析了参与连接 C1 和 C2 微管的 HYDIN 和 CFAP47 这两个巨大蛋白质的全长结构。 HYDIN 的中文含义为“脑积水蛋白”，是 2 003 年从 6 0 年前发现的一个出生后出现严重脑积水的小鼠突变品系中鉴定出的致病基因编码的蛋白质【11】，几年后才在衣藻中被确认是中央器 C 2 微管一个特定突起 (C 2b ) 的形成所需的组分【12】，并在小鼠中获得验证【13】。缺乏该蛋白质的衣藻纤毛会僵在摆动起点或终点，而小鼠上皮细胞纤毛的摆动幅度和频率则明显下降并也容易卡顿 ( 这些小鼠活不到性成熟，因此无从检查对精子鞭毛的影响 )【12, 13】。但直到 2 022 年，衣藻 Hy din 的部分结构才被确定，并发现它从 C 2 一直伸到 C 1 微管与 FAP 47 (CFAP47 的对应蛋白质）结合【8, 9】。该论文作者进一步提供了两者协同构建 CP 间的柔性桥梁的科学解释，并通过 CFAP47 的基因敲除小鼠和基因突变的弱精症病人进行了结构 - 功能验证。作者还根据结构绘制了原发性纤毛运动障碍和精子鞭毛异常病人中发现的中央器组分突变位点的图谱。

研究纤毛结构、组分、工作机理和功能，不仅加深我们 对 生命活动 的认识 ，还有助于纤毛病的产前筛查、诊断，甚至治疗。通过本文所述事例，我们也可一窥科学发现的艰辛历程，理解为何需要研究看似跟人毫无关系的生物。

参考文献

1. Leung, M.R., et al., Structural diversity of axonemes across mammalian motile cilia.Nature, 2025. 637 (8048): p. 1170-1177.

2. Meng, X., et al., Multi-scale structures of the mammalian radial spoke and divergence of axonemal complexes in ependymal cilia.Nat Commun, 2024. 15 (1): p. 362.

3. Zhou, L., et al., Structures of sperm flagellar doublet microtubules expand the genetic spectrum of male infertility.Cell, 2023. 186 (13): p. 2897-2910 e19.

4. Walton, T., et al., Axonemal structures reveal mechanoregulatory and disease mechanisms.Nature, 2023. 618 (7965): p. 625-633.

5. Leung, M.R., et al., Structural specializations of the sperm tail.Cell, 2023. 186 (13): p. 2880-2896 e17.

6. Chen, Z., et al., In situ cryo-electron tomography reveals the asymmetric architecture of mammalian sperm axonemes.Nat Struct Mol Biol, 2023. 30 (3): p. 360-369.

7. Gui, M., et al., Structures of radial spokes and associated complexes important for ciliary motility.Nat Struct Mol Biol, 2021. 28 (1): p. 29-37.

8. Gui, M., et al., Ciliary central apparatus structure reveals mechanisms of microtubule patterning.Nat Struct Mol Biol, 2022. 29 (5): p. 483-492.

9. Han, L., et al., Cryo-EM structure of an active central apparatus.Nat Struct Mol Biol, 2022. 29 (5): p. 472-482.

10. Zhu, Y., et al., In situ structure of the mouse sperm central apparatus reveals mechanistic insights into asthenozoospermia.Cell Res, 2025.

11. Davy, B.E. and M.L. Robinson, Congenital hydrocephalus in hy3 mice is caused by a frameshift mutation in Hydin, a large novel gene.Hum Mol Genet, 2003. 12 (10): p. 1163-70.

12. Lechtreck, K.F. and G.B. Witman, Chlamydomonas reinhardtii hydin is a central pair protein required for flagellar motility.J Cell Biol,2007. 176 (4): p. 473-82.

13. Lechtreck, K.F., et al., Mutations in Hydin impair ciliary motility in mice.J Cell Biol, 2008. 180 (3): p. 633-43.

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专家点评

孙斐 （浙江大学医学院附属邵逸夫医院副院长）

全球约 有 15% 育龄夫妇面临不孕不育困扰，其中男性因素 约占一半 ， 已然成为全球公共卫生领域亟待攻克的重大难题。 弱精 子 症 是男性不育的主要类型之一 ，传统精液分析仅能描述精子运动能力低下这一表象，却无法揭示分子层面的"故障根源"。近日， 中国科学院生物物理研究所 孙飞/朱赟团队， 联合北京师范大学陈苏仁教授、重庆市妇幼保健院 黄国宁 /林婷婷教授 等 团队 ，在 Cell Research 发表 重要 研究成果，首次通过冷冻电子断层成像（ Cryo-ET ）与 AlphaFold2 结合的可视化蛋白质组学方法 ，在原位解析了 精子鞭毛中央微管（ Central Apparatus , CA ）的 高分辨 结构，精准 揭示了 CFAP47, HYDIN 等 关键 组分 蛋白的三维构象与 维持精子鞭毛结构的关键作用 。 这项研究不仅为研究精子的鞭毛结构提供了理论基础，还为弱精子症的 临床诊治 提供了新的 依据 。

该项工作创新了研究模式，实现了从传统的 "黑箱观察" 到 "故障定位" 的转变。通过解析中央微管天然完整的原位结构， 发现 CFAP47 和 HYDIN 蛋白在维持中央微管结构稳定性中 发挥了关键 作用。 同时，该研究也突破了传统 "经验判断" 的局限，为实现 "精准干预" 提供关键基础。借助 全外显子组测序 发现众多潜在 致病突变 位点后 ， 能结合中央微管结构进行精准判断， 使既往被归类为"特发性弱精子症"的患者获得 了 明确病因诊断。

基于冷冻电镜原位结构研究技术的突破，未来有望开发 高通量精子轴丝微观结构分析平台 ，实现单细胞水平的精子功能精准评估 。今后 ， 结合冷冻电镜和人工智能技术 ， 有望 从分子结构的微观层面探寻病因、制定诊疗策略，为男性不育的精准诊疗开辟新的路径。

https://www.nature.com/articles/s41422-025-01135-2

制版人： 十一

参考文献

1 . Leung MR*, Zeng J*, Wang X, Roelofs MC, Huang W, Chiozzi RZ, Hevler JF, Heck AJR, Dutcher SK, Brown A, Zhang R # , Zeev-Ben- Mordehai T # . Structural specializations of the sperm tail.Cell(2023) 186(13): 2880-2896

2 . Zhou L, Liu H, Liu S, Yang X, Dong Y, Pan Y, Xiao Z, Zheng B, Sun Y, Huang P, Zhang X, Hu J, Sun R, Feng S, Zhu Y, Liu M # , Gui M # , Wu J # . Structures of sperm flagellar doublet microtubules expand the genetic spectrum of male infertility.Cell(2023) 186(13):2897-2910.

3. Leung MR, Sun C, Zeng J, Anderson JR, Niu Q, Huang W, Noteborn WEM, Brown A, Zeev-Ben- Mordehai T, Zhang R. Structural diversity of axonemes across mammalian motile cilia.Nature. 2025 Jan;637(8048):1170-1177.

4 . Han L, Rao Q, Yang R, Wang Y, Chai P, Xiong Y, Zhang K. Cryo-EM structure of an active central apparatus.Nat Struct Mol Biol(2022) 29(5):472-482.

5. Gui M, Wang X, Dutcher SK, Brown A, Zhang R. Ciliary central apparatus structure reveals mechanisms of microtubule patterning.Nat Struct Mol Biol(2022) 29(5):483-492.

6 . Tai L, Yin G, Huang X, Sun F, Zhu Y. In-cell structural insight into the stability of sperm microtubule doublet.Cell Discov.2023 Nov 21;9(1):116.

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