上海科技创新策源功能持续提升，勇立时代潮头、勇攀科技高峰，以原创性科技成果产出加速形成科学发现新高地。科技第一生产力赋能作用增强、人才第一资源体系优势凸显、创新第一动力科技供给提升。

　　上海深化战略性、前瞻性、基础性、带动性科技布局，敏锐感知变化、牢牢抓住机遇，持之以恒将美好蓝图变为生动现实。原始创新能力不断加强、重点领域技术加速创新、企业创新活力持续迸发。上海国际科技创新中心建设正加快从形成基本框架向形成核心功能阔步前行。

　　科技事业的成就与发展离不开科技工作者的忘我投入与科学家精神的大力弘扬，上海市科学技术奖的揭晓再度引发公众积极反响。

　　2022年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众展示获奖成果。

　　本期“档案”大揭秘

　　项目名称：RNA调控在精子发生及男性不育中的新功能机制研究

　　完成单位：中国科学院分子细胞科学卓越创新中心等

　　完成人：刘默芳等

　　奖励等级：自然科学奖一等奖

　　近年来，我国新生儿人口数量呈现断崖式下降，近5年内下滑约40%，2022年全国出生人口共956万人，预测今年出生人口数将跌破800万。除生育愿望下降等客观社会因素外，生育率下降的一个重要原因是不孕不育率上升。据世卫组织在2023年4月4日发布的调查报告，在全球范围内每6位成年人中就有1人受不孕不育症影响，生殖障碍已成为当前全球性人口健康重大问题，对社会和经济均有深远的影响。

　　我国近20年来不孕不育人群比例也从6.9%增至17.6%，其中近40%为男性因素所致。临床分析发现男性不育的原因很多，涉及生理、心理、环境和生活方式等因素，但仍有一半以上患者的发病原因不明。

　　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）刘默芳研究团队面向国际前沿和人口健康，针对精子发生的基础科学问题和男性不育的社会问题，围绕“RNA调控在精子发生及男性不育中的新功能机制研究”进行长期攻坚，获得了系列原创重大研究成果。

　　01 精子的“移动硬盘”和它神秘的读写机制

　　精子的生成，又称精子发生，是一个极其复杂而高度协调的细胞分化和发育过程。为了能够灵活游动，精子在形成过程中会尽可能缩小体积。通过舍弃多余的细胞质，并把细胞核压缩到常规细胞核的1/10到1/7大小，精子细胞最终演变成头部大小约2.5微米、尾巴长约60微米的“小蝌蚪”。

　　因为精子形成过程极其复杂，待回答的科学问题很多。特别是，在细胞核压缩过程中，精子细胞的转录活性将逐渐降低直至完全停止。

　　一般而言，细胞需要通过基因转录，生成信使RNA（messenger RNA，mRNA），翻译合成特定蛋白质以支持生命活动，那精子细胞停止转录是在“自毁前程”吗？非也。精子细胞在细胞核压缩前就提前进行了转录，然后将转录产物mRNA存储起来，仿佛放进了一个移动硬盘，直至特定发育阶段再激活翻译生成所需蛋白，比如说要长尾巴了，存储的相关mRNA就会被激活翻译出精子尾巴需要的蛋白质。

　　在完成翻译合成蛋白任务后，为了减轻精子“负重”，那些mRNA又会被大规模降解清除。精子细胞“移动硬盘”中的mRNA是如何被选择性地激活翻译，又是如何进行“硬盘清理”，这一直是领域的未解之谜。

　　“我们项目组通过一系列的研究结果证明，PIWI蛋白及其结合小RNA（piRNA），在精子细胞发育不同阶段，通过结合不同蛋白质因子，可以选择性激活mRNA翻译或促使其降解，从而对精子细胞的基因进行双向调控，保障健康精子生成。”刘默芳研究员说。

　　PIWI蛋白是生殖细胞特异性表达的蛋白。PIWI及其结合小RNA（piRNA）被认为是动物生殖细胞进化过程中获得的一条维持生殖细胞基因组稳定性和完整性的特殊调控途径，但此调控途径是否还具有维持基因组稳定性和完整性以外的功能，长期未知。刘默芳项目组发现，PIWI/piRNA在早期精子细胞中，与翻译启始相关蛋白相结合，激活精子细胞翻译；而在精子细胞发育后期，与脱腺苷酸酶CAF1组成RNA降解复合物，诱导数千种mRNA的脱腺苷酸化降解，或直接切割降解精子细胞的mRNA。此外，项目组还发现，piRNA的一种特殊修饰（3'尿苷化加尾），有助于PIWI/piRNA复合物的稳定性，从而增强其对基因的调控活性。

　　刘默芳项目组后续研究发现，除PIWI以外，其他RNA结合蛋白，通过不同的机制，也参与精子发生过程中的RNA调控。例如：RNA结合蛋白FXR1通过相分离，选择性得富集mRNA并招募翻译机器，激活后期精子细胞mRNA翻译；RNA结合蛋白LARP7，通过介导剪接体必需U6 snRNA的甲基化修饰，确保生精细胞mRNA精准剪接。这些原创性研究发现受到国内外同行的广泛关注与认可，同时进一步证明RNA调控在精子发生过程中具有极其重要的生物学功能，并深入揭示了精子细胞基因表达调控新机制及控制精子形成的分子基础。

　　02PIWI/piRNA——男性不育诊疗的新靶点

　　男性不育已成为全球性人口健康重大问题，但一半以上患者病因不明。

　　为此，刘默芳项目组在探索精子发生基础科学问题的同时，与多家临床男科开展交叉合作研究男性不育病因及致病机理。

　　PIWI/piRNA在人睾丸组织特异表达，但该调控通路在男性不育中的作用尚未报道。继发现PIWI为泛素连接酶APC/C底物并在精子发生后期降解清除后，率先在不育症患者中发现了拮抗PIWI泛素化修饰降解的遗传突变，通过小鼠模型证明此类突变导致雄性不育，机制研究揭示PIWI具有调控组蛋白-鱼精蛋白交换的新功能，并基于此设计干预策略提高了突变小鼠精子活性，为此类男性不育症治疗提供了潜在方法策略。

　　在后续研究中，刘默芳项目组又从多位患者中鉴定了位于PIWI特异插入元件的新突变，并发现该突变通过致piRNA变短和翻译激活功能下降干扰精子发生，解答了PIWI蛋白为何能结合更长的小RNA及为何其功能在进化上需要更长的小RNA等领域关键科学问题；同时，还在患者中鉴定到piRNA加工酶PNLDC1的新遗传突变，通过小鼠模型证明该突变导致雄性不育并揭示了致病机制。

　　这些系列性研究发现确定piRNA调控异常是男性不育的新病因，为相关男性不育症的诊治提供了新靶点。

　　03癌症中的PIWI和RNA调控

　　PIWI除了在睾丸表达外还在多种肿瘤中异常表达，为典型的肿瘤-睾丸抗原家族成员，但相关功能机制尚了解不多。

　　刘默芳项目组发现PIWI在癌细胞中以不结合piRNA状态存在，继发现在精子细胞中以piRNA结合状态存在的PIWI为APC/C底物后，又发现在胰腺癌细胞中不结合piRNA的PIWI作为APC/C共激活因子，通过增加癌相关蛋白泛素化降解而促进胰腺癌转移。

　　此外，刘默芳项目组还首次发现miRNA作为炎症与肿瘤细胞能量代谢关键信号分子。这些原创性成果揭示了PIWI的体细胞新功能及致癌新机制、阐释了炎症相关肿瘤发生和肿瘤细胞代谢的新调控机制、为本研究领域带来新视角等。

　　“RNA调控在精子发生及男性不育中的新功能机制研究”项目组的研究工作面向国际前沿和人口健康，聚焦RNA调控与雄性生殖，紧密联系基础研究与重大生物学问题及人类疾病，解答了精子发生中若干重大科学问题，揭示了男性不育新病因及相关致病机制，提升了对雄性生殖规律的认识，引领了RNA调控与生殖前沿领域，并为相关男性不育症的精准医疗提供理论基础和方法策略。

来源：上海科技