上海
撰文丨nagashi
编辑丨王多鱼
排版丨水成文
人类都是由一枚小小的受精卵不断分裂、生长、分化而来，而受精卵来源于精子与卵子的融合。值得注意的是，在一次受精过程中，卵子通常只有一枚，但精子的数量却是数以亿计。这意味着存在一种生物机制可以防止多枚精子进入卵细胞（超过一个精子进入卵子，会导致胚胎死亡）， 但这一生物过程的具体分子机制一直未被揭示。
2024年3月14日，瑞典卡罗林斯卡学院和日本大阪大学等机构的研究人员在Cell期刊发表了题为：ZP2 cleavage blocks polyspermy by modulating the architecture of the egg coat 的研究论文。
该研究发现，哺乳动物的受精始于精子附着在卵外被（egg coat，在哺乳动物中也被称为透明带） 上，卵外被是精子必须穿透才能与卵子融合的丝状细胞外包膜，卵子被精子受精后，周围的卵外被会收紧，机械地阻止其他精子进入，这一个过程涉及一种名为ZP2的蛋白的切割。 该研究详细绘制了ZP2的结构和功能，解释了卵外被相关蛋白的突变如何导致女性不孕，这一发现还有助于新型避孕方法的开发。
众所周知，在第一个精子进入卵子后，卵外被会出现特化，从而阻其他精子进入。这可以防止多精受精现象（多个精子与一个卵子融合），这对胚胎来说是一种致命事件。不仅如此，受精后卵外被的变化对女性的生育能力也至关重要，因为它能确保发育中的胚胎在植入子宫之前得到保护。
因此，如果能揭示这一生物过程的具体分子机制，将有助于女性不孕症的诊断和治疗，以及开发干扰卵膜形成的新型非激素避孕药。
在这项最新研究中，研究团队注意到，在单个精子使卵子受精后，透明带（zona pellucida，也就是卵外被）会发生硬化， 从而不可逆地阻断多精子进入。透明带硬化是一种整体物理化学变化，这与糖蛋白ZP2的N端区域 （NTR） 的切割有关，ZP2是组成透明带的四种糖蛋白（ZP1、ZP2、ZP3和ZP4）之一。
人ZP2 NTR的切割触发其同源二聚化，并由ZP2-N1结构域促进
研究团队结合X射线晶体衍射和冷冻电镜来研究精卵融合后卵外被 的三维结构变化。在小鼠中对携带ZP2蛋白突变的精子和卵子之间的相互作用进行了功能研究，他们还使用了AlphaFold来预测人类卵子的卵外被结构。
生化和结构研究表明，ZP2的切割触发了它的寡聚化。此外，结合人类ZP聚合物的AlphaFold预测表明，由I型（ZP3）和II型（ZP1/ZP2/ZP4）组成的两个原纤维相互连接成一个左旋双螺旋，II型亚基的NTR区域从中突出。这些数据表明，ZP2的切割使其NTR区域发生寡聚化，进而广泛地交联ZP蛋白丝状物，使卵外被硬化，从而在物理上阻断其他精子的进入。
非洲爪蟾ZP2 NTR同源四聚化的生化和结构分析
进一步研究显示，ZP2-N1的缺失并不影响精子的结合，但会导致小鼠卵外被的半硬化和生育能力降低。由此揭示了与卵外被相关的女性不孕症——编码卵外被蛋白的基因突变会导致女性不孕，这有助于指导越来越多的此类不孕突变的发现。
ZP2-N1的缺失并不影响精子的结合，但会导致小鼠的低生育能力
此外，这一新发现还将促进干扰卵外被形成的新型非激素避孕药物的开发，目前可用的避孕药通常是通过激素来抑制排卵、改变宫颈及宫腔环境，从而起到避孕效果，但这些激素成分可能对身体造成不良影响。 论文通讯作者Luca Jovine教授表示，我们希望这项研究将有助于女性不孕症的诊断和治疗，并可能应用于预防意外怀孕。
研究模式图
值得一提的是，此前ZP2一直被认为是精子受体，但这项研究表明，ZP2对于精子附着在卵子上并不是必需的。这就提出了一个问题——卵外被上真正的精子受体是谁？Luca Jovine团队正在计划对此进行进一步研究。
论文链接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00179-X
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