拿下诺奖AlphaFold破解受精之谜！揭秘精卵相遇生命「火花」点燃瞬间

新智元报道

编辑：桃子 好困

【新智元导读】精子和卵子结合第一瞬间，会发生什么？AlphaFold竟揭晓了答案。它成功预测出，三种精子蛋白质相互作用的复合物，成为生命孕育的关键所在。

在探索生命未知领域，诺奖级AI——AlphaFold再次获胜！

这次，它竟揭秘了精子和卵子在分子层面上，「巧遇」的亲密细节。

斑马鱼卵（蓝色）与精子（橙色）受精过程

精子和卵子的结合，意味着一个新生命的开始。

但它们之间究竟发生了什么，仍是一个难以破解的分子之谜。

今天，Cell最新研究表明——三种精子蛋白质相互作用，是精子和卵子结合的关键。

来自分子生物研究所IMP、维也纳医科大学等多家机构研究人员联手，借助AlphaFold预测出这三种蛋白质。

它们可以称之为，生殖细胞（即配子）之间的「红娘」。

论文地址：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01093-6

也就是说，没有这三种蛋白质，从斑马鱼到哺乳动物等广泛的动物中，有性生殖可能会陷入困境。

研究中，作者提出了一个有趣的模型，即在脊椎动物中，一个保守的「精子复合物」（conserved sperm complex）通过不同的卵子因子连接精子和卵子。

他们选择「斑马鱼」作为模型生物，将已知的受精因子与1,400个睾丸蛋白进行对比筛选。

通过筛选AlphaFold预测出，一个由Izumo1、Spaca6，以及一个新的相关因子Tmem81（此前受精研究中未被表征）组成了化合物。

研究人员证明了以上三种因子，在斑马鱼中相互作用，而且人类的同源蛋白在体外也表现出类似的相互作用。

罗马大学托尔维加塔分校生殖生物学家Enrica Bianchi说道，「这一发现颠覆了已有的观念——认为仅需卵子和精子上各一种蛋白质就，足以确保受精」。

这已经不是简单的「一把钥匙配一把锁」的旧概念了。情况比我们想象的要复杂得多。

精子卵子神秘的结合

以往，科学家们在哺乳动物精子中，发现了四种蛋白质。

这些蛋白质也存在于鱼类精子中，是受精必备要素。

小鼠卵子（红色和绿色）和精子（蓝色）荧光显微镜图像

但没人知道，这些蛋白质是否会「组团」进入卵子，以及如何实现的。

而精子和卵子的结合，往往会涉及到存在于油腻细胞膜中的蛋白质。

但这些蛋白质，难以使用标准化方法研究，而且它们之间相互作用通常是微弱、短暂的。

另一方面，从实验中经常受试的动物，比如小鼠中获取足够卵子精子样本，进行大规模的试验也很困难。

早期研究中，生殖生物学家常常会选择海洋的无脊椎动物（如海胆），是因为它们能够在水中释放大量的卵子和精子。

而对于脊椎动物来说，研究它们的受精过程仍是一个棘手的课题。

为了解决样本不足难题，维也纳分子病理学研究所团队，开始将研究焦点转向「斑马鱼」。

这是一种同样将卵子和精子释放到水中的「脊椎动物」。

此外，为了解决实验室处理膜蛋白（membrane proteins）的困难，研究人员巧妙的运用了AlphaFold来预测蛋白质之间的相互作用。

不久前，AlphaFold背后领头人Demis Hassabis和John Jumper拿下了2024年诺贝尔化学奖。

这进一步证明了，AI蛋白预测工具在生命科学研究中的重要价值。

三位一体，而非二元组合

有了AlphaFold，研究团队便可以将哺乳动物、鱼类共有的四种精子蛋白质，与斑马鱼睾丸细胞表面发现的约1400种蛋白质库进行比较，以寻找潜在的卵子。

对于AlphaFold来说，确实是一个不小的挑战。

整整运行了2-3周，在此期间垄断了维也纳分子病理学研究所的计算资源。

最终，AlphaFold预测出，三种蛋白质共同形成一个复合物。

其中，两种蛋白质是已知的（Izumo1、Spaca6），而且对生育能力非常重要。

实验证实，若是缺少第三种Tmem81蛋白质，雄性斑马鱼是不育的。

同样，它对老鼠的生育能力，也是至关重要。

而且，这三种精子蛋白质，确实在相互作用，如下图所示。

此外，研究团队还发现，在斑马鱼中，三种蛋白质形成了一个特定的结合位点，允许卵子蛋白质与之结合，从而提供了两个生殖细胞相互识别的分子机制。

而且，这三种精子蛋白质在人类孕育中，也作为一个unit发挥作用。

斑马鱼、老鼠、人类三种精子蛋白质的比较

论文合著者之一Andreas Blaha表示，这就像是一种分子之间的对话，仿佛在说「嘿，精子，你找到了一个卵子」，「嘿，卵子，你找到了一个精子」。

但这个保守精子复合物，在受精过程中做什么？

AlphaFold对此的预测是，斑马鱼的三聚体（trimer）与卵子因子Bouncer相互作用。

研究人员同样证实了AI预测的可靠性，还发现了「复合物的形成是Bouncer结合所必需的」。

全新卵分子，也能结合三位蛋白质

早期研究中，还在哺乳动物中发现了一种卵分子，能够与以上三种蛋白质中的一种结合。

然而，奇怪的是，哺乳动物的卵分子，不是Bouncer，而是一种无关的蛋白质，名为JUNO。

因此，在哺乳动物中，IZUMO1与JUNO相互作用，而JUNO在进化上和结构上与Bouncer无关。

这意味着，在历史某和地方，动物进化出了不同的卵蛋白质，来与精子蛋白质结合。

对此，研究人员表示奇怪，锁（卵子）都变了，为什么钥匙（精子）依旧保持不变。

这或许是他们下一步探索的方向之一。

揭秘生命机制，AlphaFold再立大功

约克大学Wright指出，这些发现未来可能会为。不孕不育患者的筛查提供新的方向。

通过检测这个蛋白质复合物的功能，医生可能能够确定某些不孕不育问题是否源于这一机制的异常。

他还补充道，新研究再次证明了AlphaFold在研究受精过程中的重要作用。

实验中，研究人员会遇到种种限制。

AlphaFold的存在，让这些基于AI蛋白质结构预测和相互作用模型的研究，可能在未来生物学研究中，扮演着越来越重要的角色。

这不仅仅是对生殖生物学的贡献，更是证明了AI如何推动生命科学研究的绝佳案例！

参考资料：

https://x.com/deneke_v/status/1846939581020577859

https://x.com/PauliGroup/status/1846961397319475578

https://www.nature.com/articles/d41586-024-03319-z

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01093-6