真核生物鞭毛或动纤毛是一类进化上保守的细胞器，通常具备协助细胞运动或产生细胞外液体流动的功能，其核心结构是轴丝，其主要由9个外周二联微管（microtubule doublets，MTDs）围绕一个双微管中心对组成（central pair，CP），表现为典型的“9+2”微管排列的结构。其中，位于相邻外周二联微管间的连接蛋白-动力蛋白调节复合物（nexin-dynein regulatory complex，N-DRC），在衣藻等简单生物中发挥着传导机械或化学信号的功能，对鞭毛或纤毛摆动的频率、弯曲的幅度和波形有非常重要的调节作用。

在哺乳动物的研究中发现在小鼠中缺失N-DRC功能组分TCTE1(DRC5)导致精子鞭毛运动能力显著下降，雄性不育【刘明兮/Martin M. Matzuk/Masahito Ikawa团队合作研究Proc Natl Acad Sci U S A. 2017 Jul 3;114(27):E5370-E5378】。在弱精子症的患者中也发现了导致TCTE1(DRC5)缺失的遗传变异【刘明兮/曹云霞/花荣团队合作研究Eur J Hum Genet. 2022 Jun;30(6):721-729】。N-DRC核心组分DRC1缺失的人和小鼠呈现出鞭毛轴丝结构的崩塌，提示哺乳动物中的N-DRC复合体参与维持鞭毛轴丝稳定。有趣的是，这一功能不仅不同于衣藻N-DRC的功能，同时也不同于哺乳动物的动纤毛N-DRC的功能【刘明兮/曹云霞/张锋团队合作研究Hum Mol Genet. 2021 Oct 13;30(21):1996-2011（封面论文）】。N-DRC复合体内的各亚单位发挥的具体功能，以及这些组分在运动纤毛和鞭毛中的差异化功能仍有待进一步研究。

为了回答上述问题，南京医科大学刘明兮教授团队与中南大学谭跃球教授团队发现， DRC3基因缺陷的男性患者精子表现为多发尾部畸形（multiple morphological abnormalities of the sperm flagella , MMAF），在相应的Drc3基因敲除小鼠中也存在一致的表型。利用透射电镜，对DRC3缺陷的人和小鼠精子的鞭毛轴丝超微结构进行观察，发现鞭毛轴丝横截面上的N-DRC都存在部分缺失。免疫印迹和免疫荧光分析，发现人和小鼠的精子中DRC3缺失导致两个功能组分DRC5和DRC7丢失。研究团队将不同的DRC缺陷小鼠模型（Drc1， Drc3，Drc5 和Drc7）联合分析，发现DRC3缺陷不影响N-DRC核心组分组装，只造成N-DRC功能组分的装配失败，这些结果提示DRC3是N-DRC的功能组分的组装适配器。

此外，相比较于运动纤毛，DRC3缺陷主要影响精子鞭毛，造成鞭毛轴丝组装过程中的轴丝装配紊乱，并伴有精子细胞颈带（manchette）发育异常。通过免疫共沉淀实验，作者发现与DRC3存在相互作用的鞭毛内运输（Intraflagellar transport ，IFT）蛋白均来自IFT-B1亚组分，荧光染色结果显示在精子发生过程中，IFT-B1亚组分会滞留在DRC3缺陷的精子细胞鞭毛轴丝上，这些结果提示DRC3缺陷造成的IFT-B1滞留可能与精子发生过程中鞭毛轴丝装配紊乱以及颈带发育异常存在关联。研究团队发现不论是人还是小鼠，通过卵胞浆内单精子注射（Intracytoplasmic sperm injection，ICSI）技术，能有效解决DRC3缺陷造成的雄性不育问题。

该研究首次对哺乳动物N-DRC结构装配情况进行解析，阐明DRC3作为N-DRC的功能组分组装适配器，其缺陷会影响后续其他功能组分在N-DRC上的装配，造成N-DRC的部分缺失。DRC3缺陷会引发轴丝装配失败，颈带发育异常以及造成雄性不育的发生。此外ICSI的成功应用，提示临床上类似DRC3缺陷的隐性遗传病可以通过ICSI技术进行治疗。

南京医科大学国家重点实验室周姝姝、中南大学袁诗敏、南京医科大学国家重点实验室张金涛为论文共同第一作者作者，南京医科大学国家重点实验室刘明兮教授和中南大学谭跃球教授为共同通讯作者。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41392-022-01293-4