AlphaFold的含金量继续提升！颠覆传统认知，揭开精子-卵子成功结合之谜

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

谷歌DeepMind的Demis Hassabis、John Jumpe因开发了能够准确预测蛋白质结构的人工智能工具AlphaFold，与蛋白质设计先驱David Baker教授一起分享了2024年诺贝尔化学奖。

AlphaFold从诞生到获得诺贝尔奖仅仅只有4年时间，2020年，DeepMind推出了基于人工智能（AI）的蛋白质结构预测工具——AlphaFold，2021年7月，DeepMind团队推出了AlphaFold2，其能够根据氨基酸序列来准确预测蛋白质的三维结构，但其对蛋白质复合物结构预测的效果不佳。

2021年10月，DeepMind团队进一步推出了AlphaFold-Multimer，用于预测蛋白质-蛋白质复合物的结构和相互作用。

最近，维也纳大学的研究人员利用AlphaFold-Multimer做出了一项重磅发现——确定了在精子和卵子结合中发挥关键的“媒人”作用的三种蛋白质——TMEM81、IZUMO1和SPACA6，没有这三种蛋白质，从鱼类到哺乳动物的有性繁殖可能会陷入死胡同。

这一发现也颠覆了之前的观点，之前认为只需要两种蛋白质（一种在卵子上，另一种在精子上）就足以确保受精。而这一发现表明，受精作用比之前认为的要更加复杂，并不是“一把钥匙开一把锁”的旧观点了。

该研究以：A conserved fertilization complex bridges sperm and egg in vertebrates 为题，于2024年10月17日发表在了国际顶尖学术期刊Cell上。

该研究表明，TMEM81是在鱼类和小鼠中必需的雄性生育因子，它与IZUMO1和SPACA6这两个之前已知的雄性生育因子相互作用，形成一个蛋白质复合物——TMEM81-IZUMO1-SPACA6，该蛋白质复合物分别与哺乳动物卵子上的JUNO蛋白或鱼类卵子上的Bouncer蛋白结合，从而连接精子和卵子膜，介导精子-卵子的结合。

受精（Fertilization）是有性生殖的基础，每一个有性生殖生物的生命都是从受精开始的，也就是精子和卵子的结合。为了成功受精，精子和卵子必须相互识别、结合并融合。然而，这种精子和卵子的结合涉及细胞膜蛋白，对于膜蛋白的处理和研究比较困难，而且，这些蛋白之间的相互作用很微弱，且作用过程转瞬即逝。这导致我们对于其作用的分子机制知之甚少。

我们对脊椎动物精子-卵子相互作用的分子基础的了解主要来自于对小鼠和鱼类的遗传学研究。在过去的20年里，已经确定了哺乳动物的精子-卵子相互作用的几种必需蛋白质，但只有精子上的IZUMO1蛋白和卵子上的JUNO蛋白在生物化学和结构上显示出了相互作用。

尽管IZUMO1在结构上与精子蛋白SPACA6和TMEM95相似，但重组人SPACA6和TMEM95在溶液中并不与人JUNO结合。与IZUMO1-JUNO在精子-卵子结合过程中的主要作用相一致，表达外源性IZUMO1的哺乳动物细胞可以与表达JUNO的小鼠卵子结合，但不会发生融合。

JUNO是由哺乳动物特有的叶酸受体复制而来的，因此只存在于哺乳动物中。而鱼类的卵子上需要另一种蛋白Bouncer，以完成受精过程。SPACA4只在睾丸中表达，并且在精子到达卵子透明带之前，它对于高效穿越透明带是必需的。

与卵子上的蛋白不同的是，四种哺乳动物精子上的蛋白——IZUMO1、SPACA6、DCST1和DCST2在鱼类中存在同源物，其中后三种蛋白在鱼类的雄性生育中也被证实是必需的，这表明在脊椎动物中，有一组精子生育因子在进化和功能上得到了保守。然而，它们的分子功能仍然鲜为人知。

上述情况带来了两个关键问题：

1、是否还有未知的必须因素促进精子-卵子的结合和融合？

2、这些因素是如何共同促进精子-卵子的结合和融合？

2020年，谷歌旗下公司DeepMind推出了基于人工智能（AI）的蛋白质结构预测工具——AlphaFold，2021年7月，DeepMind团队推出了AlphaFold2，其能够根据氨基酸序列来准确预测蛋白质的三维结构。2021年10月，DeepMind团队进一步推出了AlphaFold-Multimer，用于预测蛋白质-蛋白质复合物的结构和相互作用。

在这项最新研究中，研究团队利用AlphaFold-Multimer进行蛋白质-蛋白质相互作用的计算机模拟筛选，发现TMEM81是在鱼类和小鼠中必需的雄性生育因子，并发现它与IZUMO1和SPACA6相互作用。这三种蛋白组成的蛋白质复合物在受精过程中，分别与哺乳动物卵子上的JUNO蛋白或鱼类卵子上的Bouncer蛋白结合，从而连接精子和卵子膜。

总的来说，这项研究揭示了在脊椎动物中，一种保守的精子复合物（TMEM81-IZUMO1-SPACA6）与具有多样性的卵子蛋白（鱼类中是Bouncer，哺乳动物中是JUNO）相互作用，从而调控精子与卵子之间的相互作用。这项研究突出了AlphaFold在研究受精方面的作用，这些发现也有助于筛查和治疗不孕不育。

论文链接：

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