密歇根州立大学的科学家们发现了驱动精子完成最后高速冲刺以到达卵子的分子“开关”。通过追踪精子如何利用葡萄糖作为燃料，该团队揭示了休眠细胞如何突然进入超速运转状态，并以一个精密调控的多步骤过程燃烧能量。其中，一种名为醛缩酶的关键酶有助于将糖转化为受精所需的爆发性能量，而其他酶则像交通管制员一样引导着燃料的流向。
"精子代谢很特殊，因为它只专注于产生更多能量以实现单一目标：受精，"该研究的资深作者、生物化学与分子生物学系助理教授梅兰妮·鲍尔巴赫说道。
在射精前，哺乳动物的精子处于低能量状态。一旦进入雌性生殖道，它们会迅速转变，开始更有力地游动，并调整最终将与卵子相互作用的细胞外膜。这些变化需要能量产生突然且显著地增加。
"许多类型的细胞都会经历这种从低能量状态到高能量状态的快速转换，而精子是研究这种代谢重编程的理想对象，"鲍尔巴赫说。她于2023年加入密歇根州立大学，以扩展她在精子代谢方面的开创性工作。
追踪驱动受精的燃料
早先在威尔·康奈尔医学院的职业生涯中，鲍尔巴赫协助证明，阻断一种关键的精子酶会导致小鼠暂时性不育。这一发现突显了开发非激素类男性避孕药的可能性。
尽管科学家们知道精子需要大量能量来为受精做准备，但直到现在，这种能量激增背后的确切机制仍不清楚。
鲍尔巴赫的团队与纪念斯隆·凯特琳癌症中心和梵安德尔研究所的合作者一起，开发了一种方法来追踪精子如何处理葡萄糖——一种它们从周围环境中吸收并用作燃料的糖。
通过绘制葡萄糖在细胞内的化学路径图，研究人员确定了未激活的精子与被激活的精子之间的明显差异。
"你可以把这种方法想象成把一辆车的车顶漆成亮粉色，然后用无人机跟踪那辆车在车流中的行驶情况，"鲍尔巴赫解释说。
"在激活的精子中，我们看到这辆'涂色'的车在车流中移动得更快，同时偏好一条独特的路线，甚至能看到这辆车容易堵在哪些交叉口，"她说。
利用密歇根州立大学的质谱与代谢组学核心设施等资源，该团队拼凑出了一幅详细的图像，展示了精子为实现受精所依赖的多步骤、高能量过程。
果糖二磷酸醛缩酶与精子代谢的调控
研究发现，一种名为果糖二磷酸醛缩酶的酶在将葡萄糖转化为可用能量方面起着关键作用。研究人员还了解到，精子在旅程开始时，会动用它们自身已有的内部能量储备。
此外，某些酶起到调节因子的作用，指导葡萄糖如何通过代谢途径，并影响能量产生的效率。
鲍尔巴赫计划继续研究精子如何依赖不同的燃料来源（包括葡萄糖和果糖）来满足其能量需求。这一研究方向可能影响生殖健康的多个领域。
对不孕症和非激素类避孕的意义
全球约有六分之一的人受到不孕症的影响。鲍尔巴赫认为，研究精子代谢可能带来更好的诊断工具和改进的辅助生殖技术。
这些发现也可能支持开发新的避孕策略，特别是非激素类方法。
"更好地理解精子激活过程中葡萄糖的代谢是重要的第一步，现在我们目标是探究我们的发现如何转化到其他物种，比如人类精子，"鲍尔巴赫说。
"一种可能性是探索我们的'交通管制'酶中是否有一种可以作为非激素类男性或女性避孕药的安全靶点，"她补充道。
大多数制造男性避孕药的尝试都集中在停止精子产生上。该策略有缺点。它不能提供即时、按需的不育效果，并且许多选择依赖于可能引起显著副作用的激素。
鲍尔巴赫的最新研究提出了另一种选择。通过使用基于抑制剂的非激素方法靶向精子代谢，可能能够在需要时暂时禁用精子功能，同时最大限度地减少不良影响。
"目前，大约50%的怀孕是意外怀孕，这将为男性在生育方面提供更多的选择和自主权，"鲍尔巴赫说。"同样，这也为那些使用女性避孕药的人创造了自由，女性避孕药是基于激素的，且极易产生副作用。"
"我很兴奋能看到我们还能发现什么，以及如何应用这些发现。"
为何重要
- 精子必须显著提高其能量水平，才能完成通向卵子的艰巨旅程并实现受精。
- 科学家们现已揭示了精子如何利用其环境中的葡萄糖来驱动这种能量激增，揭示了它们快速转变背后的燃料来源。
- 这一发现加深了我们对生殖生物学的理解，并可能为改进不孕症治疗和创新的非激素类避孕选择打开大门。
该研究发表在《美国国家科学院院刊》上，并得到了国家儿童健康与人类发展研究所的支持。