《細(xì)胞》：諾獎(jiǎng)技術(shù)再登頂刊！科學(xué)家利用AlphaFold-Multimer首次發(fā)現(xiàn)精卵結(jié)合的關(guān)鍵三聚體蛋白丨科學(xué)大發(fā)現(xiàn)

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2024年10月9日，Demis Hassabis和John M. Jumper因在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)分得今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的一半獎(jiǎng)金，這兩位科學(xué)家是DeepMind的成員，即AlphaFold的母公司。

，與現(xiàn)有技術(shù)相比，精度提升了至少50%，個(gè)別類別精度翻倍。

可以說(shuō)，AI徹底顛覆了結(jié)構(gòu)生物學(xué)的底層代碼。

今日，AlphaFold家族再登頂刊。維也納生物中心（VBC）科研團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》雜志發(fā)文，研究者們利用AlphaFold-Multimer成功預(yù)測(cè)了脊椎動(dòng)物中保守的精卵結(jié)合的關(guān)鍵蛋白結(jié)構(gòu)，由Izumo1、Spaca6和Tmem81形成的三聚體。

該研究首次發(fā)現(xiàn)Tmem81是一種雄性生育的關(guān)鍵蛋白。

論文題圖

有性生殖生物體的生命起源于受精，精/卵細(xì)胞相互識(shí)別、結(jié)合和融合，但我們對(duì)這一過(guò)程的細(xì)節(jié)卻了解有限。

在過(guò)去的二十年中，有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了幾種哺乳動(dòng)物配子相互作用的必需蛋白，但受限于科研技術(shù)，我們只能確定一組蛋白對(duì)，IZUMO1和JUNO。

2016年6月，來(lái)自加拿大和日本的兩組科研團(tuán)隊(duì)分別在《自然》雜志發(fā)文，指出哺乳動(dòng)物中精子表面蛋白IZUMO1和卵子表面蛋白JUNO是精卵結(jié)合中必需的。

但精卵結(jié)合給我們留下的未解之謎還有很多。

例如IZUMO1與SPACA6、TMEM95在結(jié)構(gòu)上很是相似，但后兩者的重組人類蛋白卻不與人JUNO結(jié)合；實(shí)驗(yàn)中，異位表達(dá)IZUMO1的哺乳動(dòng)物細(xì)胞能夠與表達(dá)JUNO的小鼠卵細(xì)胞結(jié)合，但卻并不融合；JUNO僅在哺乳動(dòng)物中保守，魚類中卵子受精所必需的卻是另一個(gè)完全不相關(guān)的蛋白Bouncer……

搞不清的地方實(shí)在是太多了。

為了尋找精卵結(jié)合過(guò)程中未知的因素，研究者們決定使用AlphaFold-Multimer模擬篩選蛋白質(zhì)相互作用。

AlphaFold-Multimer是在AlphaFold2的基礎(chǔ)上改造而成的。AlphaFold2發(fā)表后，有不少科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，雖然AlphaFold2是用單體蛋白的數(shù)據(jù)訓(xùn)練的，但實(shí)際使用的時(shí)候竟然可以預(yù)測(cè)蛋白復(fù)合體。DeepMind針對(duì)復(fù)合物重新訓(xùn)練，即得到了AlphaFold-Multimer。

本次實(shí)驗(yàn)中，研究者們選定的對(duì)象是脊椎動(dòng)物中已知的四個(gè)保守的精子生育蛋白，Izumo1、Spaca6、Dcst1、Dcst2，利用AlphaFold-Multimer在約1400個(gè)斑馬魚睪丸表達(dá)的分泌/跨膜蛋白文庫(kù)中篩選相應(yīng)的結(jié)合蛋白。

與此前研究一致，Dcst1和Dcst2會(huì)形成二聚體。除此之外，兩個(gè)預(yù)測(cè)得分最高的蛋白對(duì)是Izumo1-Spaca6和Izumo1-Tmem81。

這多少有點(diǎn)出人意料了，因?yàn)門mem81是一種睪丸表達(dá)的單通道跨膜蛋白，此前從未有研究發(fā)現(xiàn)它與受精有關(guān)。

這三種蛋白結(jié)構(gòu)上都具有一個(gè)免疫球蛋白（Ig）樣結(jié)構(gòu)域，通過(guò)柔性結(jié)構(gòu)連接到C端跨膜螺旋。Izumo1和Spaca6還具有一個(gè)N端的四螺旋束（4HB）。

三個(gè)蛋白的結(jié)構(gòu)

AlphaFold-Multimer預(yù)測(cè)顯示，Izumo1、Spaca6和Tmem81形成三聚體的可信度非常高，且在斑馬魚和小鼠中都成立。這促使研究者進(jìn)一步驗(yàn)證Tmem81在生育中的作用。

研究者用CRISPR-Cas9在斑馬魚和小鼠中敲除了Tmem81，敲除后實(shí)驗(yàn)動(dòng)物均可正常發(fā)育至成年，雌性生育能力正常，但雄性不育。轉(zhuǎn)基因補(bǔ)充Tmem81后可恢復(fù)雄性實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的生育能力。

在小鼠中，缺失Tmem81不影響睪丸的外觀和體重，精子形態(tài)和運(yùn)動(dòng)能力正常，但精子不能穩(wěn)定與卵子結(jié)合并融合。

足見，Tmem81對(duì)雄性生育具有至關(guān)重要的作用。

敲除Tmem81后精子無(wú)法與卵子結(jié)合

研究者還通過(guò)突變Izumo1、Spaca6、Tmem81預(yù)測(cè)接觸界面處，確認(rèn)了三聚體在體內(nèi)的存在。

接下來(lái)，研究者對(duì)三聚體和卵子之間的相互作用進(jìn)行了預(yù)測(cè)。與哺乳動(dòng)物中的JUNO不同，斑馬魚中，三聚體結(jié)合的是Bouncer。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，Bouncer與三聚體的結(jié)合方式與JUNO完全不同。

事實(shí)上，Bouncer在哺乳動(dòng)物中的同源物為SPACA4，SPACA4表達(dá)于卵母細(xì)胞而非睪丸，SPACA4的結(jié)構(gòu)也大概并不會(huì)結(jié)合三聚體。

斑馬魚中三聚體與Bouncer結(jié)合（左）

小鼠中三聚體與JUNO結(jié)合（右）

研究者猜測(cè)，JUNO和Bouncer具有不同的三聚體結(jié)合位點(diǎn)，這或許意味著不同的選擇壓力，這有助于物種特異性的受精。

參考資料：

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

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

本文作者 | 代絲雨