精子发生（spermatogenesis）是指在睾丸中,由二倍体精原细胞分裂并分化成单倍体精子的过程,可分为精原细胞的有丝分裂、精母细胞的减数分裂以及精子细胞的变形（spermiogenesis）及释放。精子变形是精子发生过程中,圆形精子细胞转变为长形精子的过程,同时也是精子发生的最后分化阶段。在这一过程中,精子细胞的细胞核变形并浓缩,高尔基体小泡发育形成顶体结构,细胞质逐渐脱落,并形成精子的尾部。这一系列的形态学改变,是形成功能性成熟精子的重要过程。活性氧（reactive oxygen species,ROS）是指氧在接受细胞内氧化代谢生成的自由电子后所产生的副产物,主要包括超氧阴离子（O2·-）、羟自由基（OH·-）以及过氧化氢（H2O2）等。ROS是细胞中重要的信号分子,可通过核酸、蛋白的氧化修饰对其高级结构发挥着不可或缺的调控作用。然而,ROS作为小分子化学物质,不具备大分子之间通过构象互补来完成特异性识别靶标的功能,而活性氧的累积又会无差别地损伤DNA、脂质和蛋白质等生物大分子,最终破坏正常的生理机能。因此,如何实现ROS信号的特异性传递功能,是研究ROS的一大关键问题。在细胞中存在着复杂的氧化还原系统,以调控ROS的正常功能,谷氧还蛋白（GRX）和硫氧还蛋白（TRX）就是其中重要的成员。在睾丸中,ROS是生殖细胞增殖和成熟过程中必不可少的细胞信号分子。例如,在精子变形过程中,精子通过氧化鱼精蛋白完成组蛋白替换,是精子形成头部的重要过程。目前,一些精子中存在的氧化还原系统已被研究。精子特异性TRX1、TRX2和TRX3（分别为Sp TRX1、Sp TRX2和Sp TRX3）是已知的精子内调控氧化还原反应的蛋白,然而敲除小鼠模型显示这些蛋白并非精子变形、成熟必不可少的ROS调节蛋白。本课题组在前期工作中关注到一个睾丸优势表达基因—Pdcl2,全称phosducin-like protein 2。Pdcl2在进化上高度保守,在N端存在一个保守的硫氧还折叠（Thioredoxin fold）结构域。硫氧还折叠是谷氧还蛋白和硫氧还蛋白等硫氧还折叠蛋白家族代谢ROS、维持细胞活性氧稳态的主要功能结构域。在细胞内氧化还原系统中发挥不可替代的功能。硫氧还折叠结构域是由四个β折叠、三个α螺旋环绕形成的独特蛋白三维结构,内部包含一些活性半胱氨酸位点。这些半胱氨酸位点可通过具有氧化还原活性的巯基和二硫键来完成细胞内的氧化还原反应。小鼠PDCL2蛋白质含有112个氨基酸,分子大小约为27.7 k Da。课题组前期研究发现,PDCL2缺失后,雄性小鼠完全不育,精子发生明显畸形。调控精子头部变形的顶体-颈带复合体结构出现明显异常。在此基础上,本研究进一步的形态学及分子生物学实验分析发现,敲除小鼠精子变形过程中的ROS大量堆积,主要结构蛋白被过度氧化而导致异常的聚合,可能是导致顶体、颈带等结构异常、精子发生畸形的主要原因。结合体内外的分子生物学实验,我们发现PDCL2在精子变形过程中形成了“谷胱甘肽（GSH）-光传感因子样蛋白2（PDCL2）-过氧化物酶4（PRDX4）”的氧化还原传递链,且发挥着强效的抗氧化功能。综上,我们的研究发现了精子变形过程中一个重要的抗氧化系统,“GSH-PDCL2-PRDX4”氧化还原传递链。精子细胞在变形过程中,胞质中存在的GSH-PDCL2-PRDX4系统维持着精子内的ROS稳态,为核变形及尾部的生成,提供着重要的保护作用。我们的研究丰富了动物体内的活性氧信号通路的调控及活性氧稳态维持的分子理论;在精子发生过程中,PDCL2发挥着不可替代的作用,为男性不育的诊疗提供了潜在的治疗靶点;PDCL2本身作为强效的抗氧化剂,为开发有效的抗氧化药物提供了可靠的分子基础。