《细胞研究》2025 年 8 月刊封面。
科学网“科学可视化”团队制图
■本报记者 李晨阳
全世界每6对夫妇就有一对面临不孕不育困扰，其中近一半是丈夫出了状况。
弱精症即精子运动能力缺陷，是男性不育的最常见原因之一。其发病率正在不断上升，成为威胁人类生存发展的一大世界难题。
“小蝌蚪”为什么游不动了？多年来，世界各地科研团队深入探究，却因精子运动机制极其复杂，许多基础问题悬而未决。
近日，中国科学院生物物理研究所（以下简称生物物理所）研究员孙飞课题组联合北京师范大学教授陈苏仁、重庆市妇幼保健院黄国宁/林婷婷等团队，在我国本土学术期刊《细胞研究》发表重要成果，为弱精症的精准诊疗提供了新见解。
审稿人称，文章在目标分子结构解析分辨率方面“取得重大突破”——团队将最高分辨率提升至5.5埃，而此前国际同类研究长期停留在26埃以下。
破解生命之初的动力密码
精子与蝌蚪不仅外形酷似，运动方式也颇为相似，其动力主要由“尾巴”——鞭毛提供。
精子鞭毛是哺乳动物体内一种特殊的纤毛类型，与呼吸道纤毛、输卵管纤毛、脑室纤毛等同属于动纤毛。尽管分布部位迥异，但它们有着相似的“9+2”轴丝结构，即由9组微管二联体围绕2条中央微管构成，通过动力蛋白臂所介导的轴丝双联微管相互之间滑动，进而产生运动。
“轴丝复合体可谓整个生物界最复杂的大分子机器之一，研究难度极高。”论文共同第一作者、生物物理所研究员朱赟对《中国科学报》说。
在此之前，人们对“9+2”结构中的“9”（9组微管二联体）及其附属结构的分子组成的认识相对深入。相较之下，对高等动物体内关键却神秘的“2”（2条中央微管）的精细结构组成知之甚少，而它们正是轴丝运动的中枢。
为破解这一关键科学难题，孙飞团队与合作者通力协作，创新性地运用“高分辨原位结构解析+动物模型验证+临床数据分析”的多维研究体系，首次系统揭示了哺乳动物精子轴丝中央微管的精细组装机制，并深入阐明了相关精子运动障碍的致病机理。
研究过程中，几个团队充分发挥各自的专业优势：陈苏仁团队构建了CFAP47基因敲除小鼠并分析了其精子表型；黄国宁/林婷婷团队检测并分析了弱精症患者的临床数据和CFAP47基因测序结果；孙飞团队则凭借在冷冻电镜原位结构解析领域的丰富经验，完成了样品制备、数据采集、结构解析、模型搭建与分析等工作。
研究团队协同攻关，最终成功解析出这个包含466个蛋白亚基的超大分子复合体的精细原位结构，其组装精密程度令人叹为观止。尤为重要的是，该研究首次鉴定出8种全新的中央微管组成蛋白，为相关领域的研究开辟了新方向。
在此之前，虽然科学家已经知道中央微管中有两个关键组分——CFAP47和HYDIN，但它们的具体作用机制一直是个谜。实验表明，敲除CFAP47会导致小鼠精子游速显著下降；而移除HYDIN的后果更为严重——胚胎可因脑室纤毛运动不足引发脑积水，最终致死。
然而，这两种蛋白究竟如何发挥作用，长期以来一直如置于黑箱。传统技术只能推测它们大致“长什么样”。
直到看到本次研究结果，大家才恍然大悟，原来这两个蛋白以柔性链状方式，将原本并行的两根中央微管“捆”成一体。而传统的单颗粒冷冻电镜要求先将样品分离纯化，在这个过程中两根中央微管会被迫拆分，这条“链”也随之断裂，唯有通过高分辨率原位冷冻电镜才能在天然环境中捕捉其真容。
“只有获得足够高分辨率的原位结构信息，才能让这样的生物大分子在细胞的天然环境中现出原形，从而揭示生命中更深层次的秘密。”朱赟说。
论文发表后，中国科学院院士、清华大学生命科学学院教授隋森芳评价称，这项研究是可视蛋白质组学研究的一个范例，未来相关技术的进一步发展将为弱精症等疾病的诊疗带来重要变革。
中国科学院生物化学与细胞生物学研究所研究员朱学良则指出，这项工作是多细胞生物中首个报道的纤毛中央器精细结构，其重要性不言而喻。研究纤毛结构、组分、工作机理和功能，不仅加深我们对生命活动的认识，还有助于纤毛病的产前筛查、诊断，甚至治疗。
国际知名轴丝结构专家Khanh Huy Bui在《细胞研究》发表的一篇点评文章中指出：“这一全面的结构性与机理性洞见，为理解与轴丝结构相关的生育障碍及其他人类纤毛病提供了一个基本框架，同时也展示了一种先进的综合研究方法……这为未来利用原位结构生物学技术诊断人类疾病开辟了道路。”
一条少有人走的路
传统的结构生物学往往需要先对分子进行拆解，再进行观测，此时很多分子的自然形态和生物活性已经被改变了，因此该学科也被同行戏称为“死物学”。
在嘈杂的争论声中，孙飞默默选了一条“少有人走的路”——做原位结构生物学，看清天然状态下的生物分子。
从南京大学本科毕业后，孙飞进入清华大学医学院，师从中国科学院院士饶子和攻读生物物理学博士；之后在饶子和的大力支持下，来到生物物理所开展独立研究工作，并在研究所里的蛋白质科学研究平台生物成像中心担任首席科学家。
尽管不曾长期出国留学，孙飞却始终与国际前沿同频。早在十几年前，他就意识到，当时的国际主流是通过分离纯化出生物大分子样品，进而用冷冻电镜进行观测的技术，不能完全代表结构生物学的发展方向。他认为这个学科未来一定会发展“原位结构解析”技术，在天然环境中直击分子本貌。
为实现这个目标，孙飞团队埋头开展了许多工作。他们在国际上较早研发了冷冻聚焦离子束技术，解决了原位制样的技术瓶颈；开发了组织样品冷冻含水切片制备技术，让原位结构生物学的观察对象不再仅限于单细胞，而是更接近于生理状态下的生物组织。为了让冷冻电镜制样实现精准定位、靶向聚焦，他们发明了基于原位荧光实时监控的靶向聚焦离子束加工技术。为了处理原位结构解析获取的海量数据，他们还开发了多种先进的算法，其中有一个算法就是专门为这次的研究设计的。
在冷冻电镜中，有个不起眼的小东西——用来承托样品的金属载网。但就是这么一个小玩意儿，多年来我国都需要高价从国外进口。为此，孙飞团队研发出一系列性能优良的载网，目前已在国内实现了产业化。
迄今，孙飞团队已建立了原位冷冻电镜样品制备、数据收集和结构解析的全链条流程，并由此催生了一批重要的科学成果。
打破“两头在外”，践行自立自强
论文被期刊接收时，刚好赶上端午节，各大媒体平台都在推送如火如荼的龙舟比赛。看着千帆竞渡的热闹场面，论文作者们灵机一动——哺乳动物的精子岂不也是一场赛舟？让它们分出胜负的，不正是动力系统的差距吗？那些奋力划桨的船员，就像精子鞭毛内部活跃运动着的微管二联体；而最引人注目的鼓手，就像发挥关键作用的中央微管。
“仪器买进来，文章发出去”，这种“两头在外”的现象一直是中国科技创新事业的一大痛点。而孙飞团队十余年的求索和取得的一系列成果，正是中国科学家自立自强、勇于破局的一个缩影。他们没有选择“短平快”的路径去追逐国际热点，反倒把冷板凳坐成了孕育创新突破的温床。
2024年1月，孙飞和中国科学院院士徐涛带领广州研发团队，成功研制出拥有自主知识产权的首台国产场发射透射电子显微镜TH-F120，为我国在材料科学、生命科学、半导体工业等前沿科学及工业领域的高质量发展提供有力支撑。2024年3月，孙飞担任中国科学院广州生物医药与健康研究院副院长（主持工作）。
如今，孙飞正带领广州团队继续推进国产电镜的研发事业，准备让更多“中国造”的高端成像设备走向全球。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41422-025-01135-2
