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