为什么精子会“跑不动”？大阪大学揪出两大关键蛋白：CFAP91搭起“运动支架”，EFCAB5调控“冲刺力”，男性生育有了新靶点

世界卫生组织数据显示，全球约 15% 的育龄夫妇受生育障碍困扰，其中近 40% 源于男性因素，而 “弱畸精症”（精子活力不足、形态异常）是最常见原因之一。精子要完成受精，全靠尾部鞭毛的精准运动——这条 “尾巴” 的核心是轴丝结构，由 9 组外周微管二联体围绕中央微管对，再搭配放射辐（RS）、动力蛋白臂等 “运动组件” 构成。

近日，大阪大学团队在《Nature Communications》发表突破性研究，锁定了两个决定精子 “跑能力” 的关键蛋白：CFAP91（搭建鞭毛 “支架”）和EFCAB5（调控运动 “节奏”），不仅揭开精子运动的分子密码，更为男性不育治疗提供了全新靶点。

精子鞭毛的轴丝并非 “通用款”—— 与呼吸道纤毛相比，精子轴丝有独特的 “升级结构”，比如连接放射辐 RS2 和 RS3 的 “RS2-RS3 桥”，而 CFAP91 正是 RS3（第三组放射辐）的核心支架蛋白。

研究团队首先通过 CRISPR/Cas9 技术构建 Cfap91 基因敲除小鼠，却发现一个关键细节：在 B6D2 小鼠背景下，Cfap91 敲除小鼠会因脑积水夭折，只有与 129 背景小鼠杂交后，才能存活并用于研究。这一发现也解释了为何人类 CFAP91 突变不仅影响精子，还可能关联其他纤毛相关疾病。

对存活的 Cfap91 敲除小鼠研究发现，它们完全不育：睾丸重量显著下降，附睾中精子数量极少（少精症），且精子形态严重异常——尾部缩短至正常的一半以下，头部呈畸形，甚至看不到完整的鞭毛结构。通过透射电子显微镜（TEM）观察，敲除小鼠的精子轴丝彻底紊乱：外周微管二联体排列松散，线粒体鞘（给运动供能的 “动力舱”）断裂，外周致密纤维错位，甚至负责分隔鞭毛中段和主段的 “环带” 无法正常向远端迁移。

更意外的是，研究团队用 EGFP-Tuba3a 转基因小鼠，他们观察到，Cfap91 敲除后，微管套异常延长，导致精子头部无法形成正常的镰刀状——原来 CFAP91 不仅影响尾部，还通过间接调控微管套，影响头部形态，这也是不育的重要原因。

剔除Cfap91或会导致精子发生缺陷

为弄清 CFAP91 的作用机制，研究团队构建了 “拯救型转基因小鼠”：在 Cfap91 敲除小鼠中表达带 FLAG 和 BioID2 标记的 CFAP91。免疫共沉淀结合质谱分析发现，CFAP91 能与 RS3 的另外两个关键蛋白CFAP251和LRRC23形成复合物——CFAP251 是 RS3 的 “基础构件”，CFAP91 像 “胶水” 一样将其招募到轴丝上；而 LRRC23 负责 RS3 头部的组装。

当 Cfap91 缺失时，CFAP251 和 LRRC23 无法定位到鞭毛，导致 RS3 完全无法形成。更关键的是，表达标记 CFAP91 后，敲除小鼠的精子形态、活力和生育能力都恢复正常，直接证明 CFAP91 是精子鞭毛形成的 “必需支架”。

但 CFAP91 无法解释精子特有的 “运动调控”，比如精子获能后会出现 “超激活运动”（尾部剧烈摆动，帮助穿透卵子）。研究团队利用 BioID2 邻近标记技术（突破传统裂解液破坏蛋白相互作用的局限，在成熟精子中直接标记 CFAP91 周围 10nm 内的蛋白），发现了一个精子特异性蛋白EFCAB5。EFCAB5 只在睾丸中高表达，且定位在精子特有的 “RS2-RS3 桥” 上，与 RS2 的 RGS22 蛋白结合——这种结合不依赖钙离子，确保 RS2 和 RS3 信号传递稳定。

Efcab5 敲除小鼠的表现与 Cfap91 敲除完全不同：精子形态正常，数量也无明显减少，但运动能力显著下降——计算机辅助精子分析（CEROS II）显示，其直线速度（VSL）、曲线速度（VCL）和平均路径速度（VAP）均比正常小鼠低 30% 以上；更关键的是，获能后无法出现 “超激活”——正常精子获能 2 小时后，尾部相对于头部的最大弯曲角（α 角）会显著增加，而 Efcab5 敲除精子的 α 角几乎不变，无法穿透卵子透明带。这也解释了为何 Efcab5 敲除小鼠只是 “生育力轻微下降”，而非完全不育——精子能 “游动” 但没 “冲刺能力”，难以完成受精。

值得注意的是，研究团队还在人类精子中检测到 EFCAB5 的存在，且之前临床研究发现，CFAP91 突变的男性患者会出现严重弱畸精症，这意味着这两个蛋白在人类精子中也发挥相似作用。

未来，通过检测精子中 CFAP91 和 EFCAB5 的表达或突变，可更精准诊断 “不明原因弱精症”；而针对这两个蛋白的靶向药物，比如修复 CFAP91 的支架功能、补充 EFCAB5 活性，或许能帮助精子重新获得 “运动能力”。

这项研究不仅填补了精子鞭毛特化结构（如 RS2-RS3 桥）的分子机制空白，更给受不育困扰的男性带来新希望。原来精子 “跑不动” 可能不是 “活力差” 这么简单，而是关键蛋白的 “支架” 或 “调控” 出了问题。未来，随着对这些蛋白的深入研究，或许能开发出更精准的治疗方案，帮助更多夫妇摆脱生育焦虑！（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Wang, H., Shimada, K., Pham, A.H. et al. Proximity labeling of axonemal protein CFAP91 identifies EFCAB5 that regulates sperm motility. Nat Commun 16, 8238 (2025). doi：10.1038/s41467-025-63705-7