The reaction of CO2 with H2O to form HCO3- and H+ is one of the most important chemical equilibria in cells. In mammalian sperm, a soluble adenylyl cyclase (sAC) serves as cellular HCO3- sensor that conveys the equilibrium state via cAMP synthesis to cAMP-signaling molecules. The function of sAC and cAMP in non-mammalian sperm is largely unknown. Here, we identify sAC orthologs in sea urchin and salmon sperm that, surprisingly, are activated by alkaline pH rather than HCO3-. Two amino-acid residues required for HCO3- binding of mammalian sAC are lacking in pH-regulated sAC. Orthologs identified in ten other phyla are also lacking either one of these key residues, suggesting that pH control is widespread among non-mammalian metazoan. The pH-sensitive sAC controls several functions of sperm from external fertilizers. Upon spawning, alkalization triggers cAMP synthesis and, thereby, activates motility of quiescent sperm. Egg-derived chemoattractants also alkalize sperm and elevate cAMP, which then-modulates pacemaker HCN channels to trigger a chemotactic Ca2+ response. Finally, the sAC and the voltage- and cAMP-activated Na+/H+ exchanger sNHE mutually control each other. A picture of evolutionary significance is emerging: motility and sensory signaling of sperm from both internal and external fertilizers rely on cAMP, yet, their sAC is regulated by HCO3- or pHi, respectively. Acidification of aquatic habitats due to climate change may adversely affect pH-sensing by sAC and thereby sexual reproduction in the sea.

中文翻译：

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体外受精由控制精子活力和趋化性的 pH 调节可溶性腺苷酸环化酶协调

CO2 与 H2O 反应形成 HCO3- 和 H+ 是细胞中最重要的化学平衡之一。在哺乳动物精子中，可溶性腺苷酸环化酶 (sAC) 作为细胞 HCO3 传感器，通过 cAMP 合成将平衡状态传递给 cAMP 信号分子。sAC 和 cAMP 在非哺乳动物精子中的功能在很大程度上是未知的。在这里，我们在海胆和鲑鱼精子中鉴定了 sAC 直向同源物，令人惊讶的是，它们被碱性 pH 激活而不是 HCO3-。哺乳动物 sAC 与 HCO3 结合所需的两个氨基酸残基在 pH 调节的 sAC 中缺失。在其他 10 个门中鉴定的直向同源物也缺乏这些关键残基中的任何一个，这表明 pH 控制在非哺乳动物后生动物中很普遍。pH 敏感 sAC 控制来自外部肥料的精子的多种功能。产卵时，碱化触发 cAMP 合成，从而激活静止精子的运动能力。源自卵子的化学引诱剂还可以碱化精子并提高 cAMP，然后调节起搏器 HCN 通道以触发趋化 Ca2+ 反应。最后，sAC 与电压和 cAMP 激活的 Na+/H+ 交换器 sNHE 相互控制。进化意义的图景正在出现：来自内部和外部肥料的精子的运动和感觉信号依赖于 cAMP，然而，它们的 sAC 分别受 HCO3-或 pHi 调节。由于气候变化导致水生栖息地酸化可能会对 sAC 的 pH 感应产生不利影响，从而影响海洋中的有性繁殖。然后调节起搏器 HCN 通道以触发趋化 Ca2+ 反应。最后，sAC 与电压和 cAMP 激活的 Na+/H+ 交换器 sNHE 相互控制。进化意义的图景正在出现：来自内部和外部肥料的精子的运动和感觉信号依赖于 cAMP，然而，它们的 sAC 分别受 HCO3-或 pHi 调节。由于气候变化导致水生栖息地酸化可能会对 sAC 的 pH 感应产生不利影响，从而影响海洋中的有性繁殖。然后调节起搏器 HCN 通道以触发趋化 Ca2+ 反应。最后，sAC 与电压和 cAMP 激活的 Na+/H+ 交换器 sNHE 相互控制。进化意义的图景正在出现：来自内部和外部肥料的精子的运动和感觉信号依赖于 cAMP，然而，它们的 sAC 分别受 HCO3-或 pHi 调节。由于气候变化导致水生栖息地酸化可能会对 sAC 的 pH 感应产生不利影响，从而影响海洋中的有性繁殖。它们的 sAC 分别由 HCO3- 或 pHi 调节。由于气候变化导致水生栖息地酸化可能会对 sAC 的 pH 感应产生不利影响，从而影响海洋中的有性繁殖。它们的 sAC 分别由 HCO3- 或 pHi 调节。由于气候变化导致水生栖息地酸化可能会对 sAC 的 pH 感应产生不利影响，从而影响海洋中的有性繁殖。