人工智能揭示精子如何“黏住”卵子

前不久，以AlphaFold 為代表的人工智能技術(shù)在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與蛋白質(zhì)計(jì)算設(shè)計(jì)中的貢獻(xiàn)，幫助DeepMind的研究人員摘得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

在近日發(fā)表于《細(xì)胞》和4月發(fā)表于eLife的研究中，AlphaFold再展神通，在其預(yù)測(cè)的指導(dǎo)下，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都獨(dú)立鑒定出了一個(gè)由3種蛋白質(zhì)組成的復(fù)合物。該復(fù)合物位于精子頭部，在受精過程中鎖定卵細(xì)胞表面。

英國(guó)約克大學(xué)生物化學(xué)家、eLife論文合著者Gavin Wright表示，這展示了人工智能解決長(zhǎng)期困擾科學(xué)家的問題的潛力，特別是在生殖生物學(xué)等領(lǐng)域。因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域，人體組織實(shí)驗(yàn)可能是不道德的，特別是在培養(yǎng)皿中混合人類精子和卵子是受嚴(yán)格監(jiān)管的。在這些情況下，“使用計(jì)算建?？赡苁俏ㄒ坏姆椒ā?。

精子和卵子的微觀結(jié)合是使生命誕生的一場(chǎng)“相遇”。但這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻背后的許多科學(xué)問題人們尚不清楚。比如，研究人員一直在努力確定協(xié)調(diào)精子和卵子黏在一起、融合并共享遺傳物質(zhì)的分子機(jī)制。

研究人員此前發(fā)現(xiàn)了許多參與脊椎動(dòng)物受精的單個(gè)蛋白質(zhì)。2005年，日本的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠中的一個(gè)特定基因會(huì)導(dǎo)致它們產(chǎn)生看起來健康、有活力，但實(shí)際上無法與卵細(xì)胞融合的精子。他們將該基因命名為Izumo1。近10年后，另一個(gè)研究小組在卵細(xì)胞上發(fā)現(xiàn)了一種與Izumo1結(jié)合的蛋白質(zhì)受體——Juno。

此外，還有研究人員發(fā)現(xiàn)了其他相關(guān)蛋白質(zhì)。比如，2020年一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)敲除Spaca6基因的小鼠產(chǎn)生的精子與缺乏Izumo1的小鼠有相同的缺陷。

盡管有跡象表明這兩種精子蛋白和卵子受體需要相互作用才能連接，但細(xì)節(jié)仍然不清楚。為此，有兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)分別向AlphaFold尋求幫助。

在這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究中，他們利用AlphaFold-Multimer預(yù)測(cè)了精子上一種由Izumo1、Spaca6和另一種已知蛋白質(zhì)Tmem81形成的復(fù)合物或三聚體。其中，Tmem81早以前的研究行為發(fā)現(xiàn)與受精相關(guān)。

AlphaFold-Multimer是DeepMind開發(fā)的AlphaFold項(xiàng)目的一個(gè)擴(kuò)展，旨在預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)多聚體的三維結(jié)構(gòu)。

在發(fā)表于eLife的研究中，包括Wright在內(nèi)的由瑞典卡羅林斯卡學(xué)院結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Luca Jovine領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，分析了小鼠和人類的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)上述三聚體可以與Juno和卵細(xì)胞上的另一種蛋白質(zhì)CD9形成更大的復(fù)合物。

而由奧地利分子病理研究所（IMP）分子生物學(xué)家Andrea Pauli領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)則更進(jìn)一步，他們開展了實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證AlphaFold-Multimer預(yù)測(cè)的復(fù)合體是否存真的存在。結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)，在斑馬魚和小鼠中敲除Tmem81會(huì)導(dǎo)致與敲除Izumo1或Spaca6相同的精子缺陷。這證實(shí)了Tmem81確實(shí)對(duì)受精至關(guān)重要。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，在斑馬魚精子樣本中添加Izumo1、Spaca6或Tmem81的抗體總能同時(shí)提取出這3種蛋白質(zhì)，證實(shí)它們正如AlphaFold-Multimer預(yù)測(cè)的那樣形成了三聚體。

AlphaFold-Multimer還預(yù)測(cè)了上述三聚體的不同部分負(fù)責(zé)與卵子的不同獨(dú)特受體結(jié)合。而這一點(diǎn)，在斑馬魚蛋白質(zhì)的實(shí)驗(yàn)中得到了支持。

Pauli說，值得注意的是，精子的這種三聚體在脊椎動(dòng)物進(jìn)化過程中保持不變，而卵子受體卻發(fā)生了變化。這可能反映了卵子是如何適應(yīng)不同環(huán)境的——魚卵通常體外受精，而哺乳動(dòng)物的卵在體內(nèi)受精。

有研究人員指出，盡管Pauli團(tuán)隊(duì)在斑馬魚中發(fā)現(xiàn)了這種三聚體，又表明人類的上述3種蛋白質(zhì)可以在試管中相互結(jié)合，但兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都沒有直接研究表明這種復(fù)合物是在哺乳動(dòng)物精子上自然形成的，也沒有表明它能與哺乳動(dòng)物卵子結(jié)合。不過，這些基本的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)有朝一日可能會(huì)產(chǎn)生臨床意義，比如開發(fā)避孕新方法、篩查不孕患者突變等。