NC项目文章 | 南方医科大学陈振国等多组学研究揭秘：PRDX1调控的精子活力新机制
2025-12-10
中科新生命
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不孕不育是一种由多因素导致的病理性疾病，目前全球约有7000万人受此影响，其中约50%的病例与男性因素相关，主要表现为精子数量减少或活力下降。过往研究表明，睾酮不足会干扰精子生成，加速衰老。细胞自噬可促进睾酮合成，而细胞自噬如何通过促进睾酮合成，增加精子数量，增强精子活力的机制仍不清晰。
2025年11月，南方医科大学陈振国/张国飞团队联合广州医科大学范勇/康祥锦团队在Nature Communications（IF：15.7）杂志发表题为“PRDX1 promotes testosterone synthesis and attenuates aging via redox regulation of ATG4B to modulate lipophagy”的研究性论文，系统性阐明过氧化物还原酶1（PRDX1）的降低与临床男性生育障碍有关，结合小鼠试验进一步发现正常情况下，PRDX1中的Cys52和Cys173位点可特异性靶向ATG4B中的氧化还原位点Cys78以保持ATG4B中Cys74的脱脂活性，从而促进细胞自噬通量，增加睾酮水平，维持精子活力。中科新生命为该研究提供了脂质组、全谱代谢组、转录组检测服务。
组学样本及目的
蛋白质组：临床非梗阻性无精子症（NOA）患者和梗阻性无精子症（OA）患者的睾丸活检样本筛选与精子活性相关的潜在蛋白；
脂质组+全谱代谢组：对照组和PRDX1缺失小鼠（cKO）睾丸筛选PRDX1缺失引起的异常代谢通路；
脂质组+转录组：正常对照（NC）和PRDX1敲低（KD）的TM3细胞分析PRDX1调节的分子机制。
研究步骤
步骤1：蛋白质组+scRNA-seq发现PRDX1潜在参与精子生成；
步骤2：睾丸间质细胞（LCs）中PRDX1特异性缺失会诱导小鼠睾丸缺失和雄性不育；
步骤3：PRDX1功能缺失会诱导脂质积累并导致睾丸间质细胞（LC）中睾酮不足；
步骤4：脂质组+全谱代谢组表明Prdx1缺失可导致睾丸中的脂质代谢异常；
步骤5：脂质组+转录组关联分析表明PRDX1在调节LCs中的自噬和脂质代谢方面发挥关键作用；
步骤6：PRDX1通过调节ATG4B的氧化还原依赖性控制LC3的脱脂化，从而调节自噬；
步骤7：PRDX1失活加速睾丸衰老和迟发性性腺功能减退症（LOH），而ebselen能有效挽救这些症状。
研究结果
1. 蛋白质组+scRNA-seq发现PRDX1潜在参与精子生成
对NOA和OA患者的睾丸活检样本进行蛋白质组检测，发现：相比于OA患者，NOA患者的睾丸组织中，PRDX1表达量显著下降。结合三个独立的scRNA-seq结果（人类NOA、人类迟发性性腺功能减退症（LOH）、小鼠睾丸衰老组织）进一步确认PRDX1在三个数据中均显著下调表达。免疫荧光显示PRDX1主要在睾丸间质细胞（Leyding细胞）中发挥作用，其中NOA患者睾丸中PRDX1下调表达伴随着睾丸间质区域脂质的积累。
图1 临床睾丸蛋白质组+scRNA-seq+免疫荧光发现PRDX1与精子生成有关
2. 睾丸间质细胞（LCs）中PRDX1特异性缺失会诱导小鼠睾丸缺失和雄性不育
对小鼠睾丸切片进行PRDX1间歇性染色，以评估PRDX1在小鼠睾丸发育期间的时空表达发现，在PRDX1主要在小鼠的睾丸间质区域（LC）中表达，随睾丸发育不断增加。成年后，PRDX1表达随年龄增长逐渐下降。
图2 PRDX1在睾丸间质区域发挥功能
构建特异性LCs PRDX1缺失小鼠模型（cKO小鼠）。相比于对照组小鼠（Ctrl），cKO小鼠的睾丸重量、繁殖能力、精子数量、精子运动能力、睾丸睾酮水平在不同的睾丸发育阶段显著下降。表明，LCs中PRDX1功能缺失会导致睾酮缺失、精子活力降低和男性不孕，与临床患者中观察到的特征极为相似。
图3 睾丸间质区域Prdx1缺失会导致睾酮缺乏和男性不孕
3. PRDX1功能缺失会诱导脂质积累并导致睾丸间质细胞（LC）中睾酮不足
在排除垂体-性腺轴损伤、类固醇合成通路损伤、LC分化干扰等因素外，发现cKO小鼠的游离胆固醇（睾酮合成的直接底物）及其在总胆固醇中的比例显著降低，表明cKO中的睾酮合成明显受损。cKO小鼠LC的甘油三酯，胆固醇的脂滴（LDs）数量和大小均显著增加，LDs无法被细胞自噬吞噬，导致睾丸中总LC3水平、LC-3II/LC-3I的比值以及p62水平显著升高，进而无法降解胆固醇酯形成游离胆固醇，导致睾酮合成不足。
图4 Prdx1的缺失会导致LCs中脂质积累和睾酮积累不足
4. 脂质组+全谱代谢组表明Prdx1缺失可导致睾丸中的脂质代谢过程
上文研究提示Prdx1缺失会影响甘油三酯、胆固醇酯等异常积累，利用脂质组分析cKO睾丸中的脂质代谢过程发现，cKO睾丸中的甘油酯（GLs）、甘油磷脂（GPs）、鞘脂（SP）丰度受到显著改变。KEGG功能富集表明，异常上调表达的脂质主要与“自噬”相关，下调表达的脂质主要与“脂肪消化与吸收”、“胆固醇代谢”、“甘油磷脂代谢”相关，表明cKO睾丸的自噬和脂质代谢均受损。全谱代谢组表明，异常表达的代谢物主要与“嘧啶代谢”、“ABC转运蛋白”、“癌症中的中心碳代谢”、“氨基酸生物合成”有关，表明Prdx1缺失会改变睾丸的代谢活动。
图5 Ctrl和cKO小鼠的脂质组数据分析
体外构建PRDX1基因敲低（KD）的TM3 Leydig细胞系（KD细胞）。与cKO小鼠中观察到的现象一致，使用多种自噬抑制剂或激活剂的检测发现，PRDX1参与细胞自噬过程，具体表现为：PRDX1缺失会损害自噬体膜的闭合，从而阻止自噬体与溶酶体的融合，导致脂滴无法降解，造成脂质积累。上述过程无法通过自噬激活剂或溶酶体抑制剂消除。
图6 PRDX1调节TM3睾丸间质细胞的脂质吞噬
高密度脂蛋白（HDL）是胆固醇合成的重要来源，自噬过程可影响LCs对HDL的摄取。通过胞内HDL标记示踪和活细胞成像发现，PRDX1功能障碍会破坏脂滴（LDs）或HDL被自噬体吞噬，并阻止HDL被运送至溶酶体进行降解。在KD细胞中异位表达PRDX1可减少LC3和p62的积累，恢复脂滴降解，并促进LD降解。该结果在原代睾丸间质细胞中进一步得到验证。
图7 胞内HDL示踪HDL被自噬体吞噬进程
5. 脂质组+转录组关联分析表明PRDX1在调节LCs中的自噬和脂质代谢方面发挥关键作用
对正常对照（NC）和PRDX1敲低（KD）的TM3细胞进行脂质组和转录组分析以揭示PRDX1的作用机制。KEGG关联分析表明，“鞘脂代谢”、“自噬”、“肌醇磷脂代谢”、“磷脂酰肌醇信号通路”、“甘油酯代谢”、“脂肪消化和吸收”、“胆固醇代谢”在两组学中均异常表达。整体结果表明，无论是在全局水平还是分子水平均表明PRDX1在调节LCs中的自噬和脂质代谢方面发育关键作用。
图8 Prdx1-KD细胞的脂质组+转录组关联分析
6. PRDX1通过调节ATG4B的氧化还原依赖性控制LC3的去脂化，从而调节自噬
通过与多种蛋白的免疫共沉淀（co-IP）实验发现， PRDX1仅与ATG4B以硫醇依赖性方式进行结合，是PRDX1调节自噬过程的关键靶标。PRDX1低表达会降低ATG4B与LC3的结合。具体表现为：在Leydig细胞中，PRDX1的Cys52和Cys173位点与ATG4B的C78s位点结合。当PRDX1中发生Cys52A/Cys173A突变或ATG4B中发生Cys78S突变时，该相互作用会消失。
图9 PRDX1可靶向ATG4B以调节自噬过程
上述研究发现PRDX1敲低导致LC3-II和p62积累，而PRDX1过表达可逆转该现象。作者假设PRDX1以氧化还原依赖的方式调节ATG4B的去脂化活性。使用体外去脂化系统发现，ATG4B可将LC3-II脱脂化为LC3-I，但该活性被H2O2显著抑制，加入PRDX1蛋白可显著拮抗H2O2的抑制作用，恢复ATG4B的脱脂化活性。Ebselen（一种20半胱氨酸类似物）不仅完全抵消了H2O2的抑制作用，还进一步增强ATG4B的脱脂化。表明：ATG4B的活性严格受氧化还原条件的调控，ebselen通过促进PRDX1与ATG4B之间的相互作用以及ATG4B对LC3的活性，维持自噬通量。
图10 ebselen促进PRDX1和ATG4B的相互作用
7. PRDX1失活加速睾丸衰老和迟发性性腺功能减退症（LOH），而ebselen能有效挽救这些症状
使用20个月龄的Ctrl小鼠和cKO小鼠，分别进行ebselen和PRDX1过表达处理，发现在生理形态指标上：ebselen和PRDX1过表达处理可改善cKO小鼠的精子数量，增强精子活力，提高睾丸和血清中的睾酮水平；在自噬相关指标上，ebselen处理和PRDX1过表达可提升cKO小鼠的LC3水平，增加自噬体与脂滴的接触，从而促进脂滴降解，提高睾酮水平。ebselen处理可显著改善小鼠的记忆和运动能力，提高老年小鼠的骨密度、改善肝脏代谢等。表明：ebselen通过增强脂滴降解和改善脂质代谢来提高睾酮水平，同时改善肝功能和全身代谢。
文章闪亮点
临床出发，确认目标蛋白：该文首次揭示PRDX1表达降低与临床NOA相关，并结合scRNA-seq数据提出PRDX1功能障碍与男性生育障碍有关；
生理观测锁定目标组学，阐明关键机制：依靠临床发现的PRDX1蛋白构建缺失小鼠模型和细胞系，发现PRDX1的低表达会导致脂质积累。随即结合脂质组、全谱代谢组、转录组进一步发现PRDX1缺失会影响“自噬”，“鞘脂代谢”等通路。同时结合多种试验证实PRDX1蛋白可与ATG4B蛋白结合，调节ATG4B的脱脂化活性，进而调节脂质吸收过程，促进Leydig细胞的自噬，以提升小鼠的睾酮水平。
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上海中科新生命生物科技有限公司（APTBIO）创立于 2004 年，由原中国科学院上海生命科学研究院蛋白质组研究中心孵化而来，是国内质谱多组学应用领域的开拓者。公司以 “AI + 质谱多组学” 双核驱动创新，构建智能化组学生态。拥有自主知识产权的质谱检测平台与 AI 大数据分析系统，聚焦科技服务、生物医药及大健康消费三大领域，为全球科研机构、医院、药企提供从基础研究到临床转化的一站式解决方案。融合多组学技术与人工智能，围绕生物标志物发掘、药物靶点筛选及个性化诊疗等方向，构建具有国际竞争力的组学数据库与算法模型，推动转化医学进程，加速创新药物研发，成为推动生命科学数字化升级的核心引领者。
