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“ABBS生物化学与生物物理学报”
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导 读
体电镜生物样品三维重建技术是组织细胞超微结构分析的重要工具。最近，中国科学院自动化研究所韩华团队通过超薄切片-扫描电子显微镜（ATUM-SEM）对精子发生的形态学过程进行了描述：（1）获得了精子发生过程中复杂的超微结构细节，包括顶体的形成和线粒体鞘的形成等过程；（2）顶体囊泡来源于高尔基体，沿精子细胞核聚集并伸长，这些囊泡最终以一个帽状结构附着在细胞核上，从而定义了精子的头部；（3）在顶体期，线粒体主要集中在精子尾部的中段，并以螺旋的方式缠绕在中央轴丝周围，最终形成线粒体鞘结构。这一研究为理解和诊断男性生育问题提供了新的技术思路。2024年9月6日，该团队在Acta Biochimica et Biophysica Sinica期刊在线发表题为“Three-dimensional reconstruction of rat sperm using volume electron microscopy”的研究论文。
研究人员使用序列超薄切片扫描电镜成像技术（automatic tape-collecting ultramicrotome scanning eletron microscopy, ATUM-SEM），首先对睾丸组织电镜样品进行连续切片，切片厚度60nm，连续收集3000张切片，并将序列切片收集在条带上。随后将条带分段装订到硅片上进行导电性处理。接下来，对连续切片进行扫描电镜成像，在入射电子能量为4 keV的情况下，通过背散射电子探头进行成像，图像在x轴和y轴上的分辨率均为5 nm。
为实现高通量多细胞群体的精确识别与分割，研究团队整合了一套优化的深度学习算法（图1）。首先，对拍摄的图像进行了拼接和配准，以获得高分辨率的三维图像堆栈，这为后续的高精度细胞识别与分割奠定了坚实基础。在此基础上，团队对图像进行了系统的处理，包括去噪、增强、算法分割和细胞识别，同时还重建了超微结构。基准测试结果显示，该算法在细胞识别和分割方面展现出卓越的效率和稳健的性能。最后，利用Amira软件对不同时期的精子细胞进行了三维可视化，进一步提升了对细胞动态变化的理解。
图1. 对精子细胞不同时期进行三维重建的实验流程
高尔基期是精子发生的开始。利用体电镜，研究人员重建了高尔基期精子细胞及其细胞器，包括线粒体、细胞核、高尔基体和顶体小泡 （图2）。在这一阶段，包裹蛋白质的小囊泡从反式高尔基体复合体中分泌出来，聚集并融合形成前顶体囊泡，然后附着在细胞核上，囊泡中的蛋白聚集形成前顶体颗粒。细胞核表面与顶体囊泡接触的区域将会形成精子的头部。同时，线粒体的形态和分布也发生了显著的变化。此时的线粒体主要呈卵圆形，主要位于细胞质膜下方。此外，中心体中的一个中心粒迁移到精细胞的后极，轴丝开始形成，后续线粒体会向精子尾部的轴丝部分移动，形成线粒体鞘。
图2. 高尔基期精子细胞的三维形态
研究人员的重构结果发现，与高尔基期的精子细胞相比，顶体帽期的精子细胞发生伸长。同时，大量线粒体沿着质膜排列，顶体颗粒扩大并开始在细胞核的核膜表面扩散，最终形成一个覆盖约三分之一核表面的帽状结构 (图3）。另外，部分线粒体向轴丝迁移，有助于线粒体鞘的形成。
图3. 顶体帽期精子细胞的三维形态
顶体期的特征是精子细胞的形态发生了显著变化（图4）。当精子伸长时，它们的细胞质变薄，细胞核浓缩并伸长，顶体重新定位，顶体在精子的前部形成一个顶端，而其余的则迁移到精子核的腹侧表面。多余的细胞质和细胞器，如囊泡和核糖体，从精子细胞中清除。线粒体主要集中在精子尾部的中间部分，以螺旋状缠绕在中央轴丝周围，最终形成线粒体鞘结构，为中央轴丝提供动能，小部分线粒体也零星分布在细胞质中。这个过程对精子的成功发育和功能至关重要，这是男性生育能力的主要决定因素。
图4. 顶体期精子细胞的三维形态
染色质体是精子细胞的细胞质中特殊的结构。研究人员通过电镜观察发现，染色质体具有较高的电子密度，呈黑色云状结构，结构外围有细小的囊泡，另外精子细胞所处阶段不同，细胞质中的染色质体的大小或含量有明显差别（图5）。染色质体以翻译抑制状态储存mRNA，为特定发育阶段的精子提供所需的蛋白质等。
图5. 精子细胞不同时期染色质体的三维重建
体电子显微学技术是生物结构分析的重要工具。在这项研究中，研究人员利用自动带收集超显微扫描电子显微镜（ATUM-SEM）成像技术，对大鼠睾丸组织的精子细胞不同发育阶段的超微结构进行分析，这一研究为理解和诊断男性生育问题提供了新的技术思路。
Three-dimensional reconstruction of rat sperm using volume electron microscopy
Jiazheng Liu1,2,3,†, Limei Lin2,3,†, Lina Zhang2,3, Hongtu Ma2,3, Xi Chen2,3, Keliang Pang4, Linlin Li2,3, Hua Han1,2,3,*
1School of Future Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China, 2State Key Laboratory of Multimodal Artificial Intelligence Systems, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China, 3Transdisciplinary Platform of Functional Connectome and Brain-inspired Intelligence, Chinese Academy of Sciences, Beijing 101499, China, 4Aging and Longevity Institute & Institute of Biological Science, Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai 200032, China
†These authors contributed equally to this work.
通讯作者
韩华，中国科学院大学岗位教授，博士研究生导师，中国科学院自动化研究所研究员。中科院自动化所微观重建与智能分析团队负责人、中科院人工智能创新研究院2035创新团队负责人、中科院北京生命科学大型仪器中心显微分析技术平台负责人、北京怀柔综合性国家科学中心脑智交叉平台总工程师。入选中国科学院关键技术人才、中国科学院脑科学与智能技术卓越中心骨干人才。已承担多项国家科技重大专项、中科院先导专项和北京市科技专项等重大项目。发表学术论文100余篇，包括TPAMI/ESWA/TNNLS、IJCAI/CVPR/MICCAI、Science/Nature Commun./Cell Reports/Plant Cell/BMC Biology等，担任Nature Methods、IEEE TMI、ESWA等审稿人。已授权国家发明专利30余项，多项专利完成了产业转化。
THE END
ABBS《生物化学与生物物理学报》，1958年创刊，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）主办，主编丁建平研究员。本刊为完全开放获取（OPEN ACCESS）期刊。出版生物化学、分子生物学、生物物理学的综述、论文和简讯。入选中国科技期刊卓越行动计划梯队期刊类项目。JCR IF为3.3，生物化学与分子生物学领域Q2，生物物理学领域Q1。中科院期刊分区表生物学2区。
审核 徐明华/徐文琳
编辑 寿彩华/郑福军/蔡花漫 美工 寿彩华
编辑部 abbs@sibs.ac.cn
