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2024年10月9日，Demis Hassabis和John M. Jumper因在蛋白质结构预测领域的贡献分得今年诺贝尔化学奖的一半奖金，这两位科学家是DeepMind的成员，即AlphaFold的母公司。
发展到今天的AlphaFold已经迭代到第三代，可以前所未有的精度预测所有生命分子的结构和相互作用，与现有技术相比，精度提升了至少50%，个别类别精度翻倍。
可以说，AI彻底颠覆了结构生物学的底层代码。
今日，AlphaFold家族再登顶刊。维也纳生物中心（VBC）科研团队在《细胞》杂志发文，研究者们利用AlphaFold-Multimer成功预测了脊椎动物中保守的精卵结合的关键蛋白结构，由Izumo1、Spaca6和Tmem81形成的三聚体。
该研究首次发现Tmem81是一种雄性生育的关键蛋白。
论文题图
有性生殖生物体的生命起源于受精，精/卵细胞相互识别、结合和融合，但我们对这一过程的细节却了解有限。
在过去的二十年中，有科学家发现了几种哺乳动物配子相互作用的必需蛋白，但受限于科研技术，我们只能确定一组蛋白对，IZUMO1和JUNO。
2016年6月，来自加拿大和日本的两组科研团队分别在《自然》杂志发文，指出哺乳动物中精子表面蛋白IZUMO1和卵子表面蛋白JUNO是精卵结合中必需的。
但精卵结合给我们留下的未解之谜还有很多。
例如IZUMO1与SPACA6、TMEM95在结构上很是相似，但后两者的重组人类蛋白却不与人JUNO结合；实验中，异位表达IZUMO1的哺乳动物细胞能够与表达JUNO的小鼠卵细胞结合，但却并不融合；JUNO仅在哺乳动物中保守，鱼类中卵子受精所必需的却是另一个完全不相关的蛋白Bouncer……
搞不清的地方实在是太多了。
为了寻找精卵结合过程中未知的因素，研究者们决定使用AlphaFold-Multimer模拟筛选蛋白质相互作用。
AlphaFold-Multimer是在AlphaFold2的基础上改造而成的。AlphaFold2发表后，有不少科学家发现，虽然AlphaFold2是用单体蛋白的数据训练的，但实际使用的时候竟然可以预测蛋白复合体。DeepMind针对复合物重新训练，即得到了AlphaFold-Multimer。
本次实验中，研究者们选定的对象是脊椎动物中已知的四个保守的精子生育蛋白，Izumo1、Spaca6、Dcst1、Dcst2，利用AlphaFold-Multimer在约1400个斑马鱼睾丸表达的分泌/跨膜蛋白文库中筛选相应的结合蛋白。
与此前研究一致，Dcst1和Dcst2会形成二聚体。除此之外，两个预测得分最高的蛋白对是Izumo1-Spaca6和Izumo1-Tmem81。
这多少有点出人意料了，因为Tmem81是一种睾丸表达的单通道跨膜蛋白，此前从未有研究发现它与受精有关。
这三种蛋白结构上都具有一个免疫球蛋白（Ig）样结构域，通过柔性结构连接到C端跨膜螺旋。Izumo1和Spaca6还具有一个N端的四螺旋束（4HB）。
三个蛋白的结构
AlphaFold-Multimer预测显示，Izumo1、Spaca6和Tmem81形成三聚体的可信度非常高，且在斑马鱼和小鼠中都成立。这促使研究者进一步验证Tmem81在生育中的作用。
研究者用CRISPR-Cas9在斑马鱼和小鼠中敲除了Tmem81，敲除后实验动物均可正常发育至成年，雌性生育能力正常，但雄性不育。转基因补充Tmem81后可恢复雄性实验动物的生育能力。
在小鼠中，缺失Tmem81不影响睾丸的外观和体重，精子形态和运动能力正常，但精子不能稳定与卵子结合并融合。
足见，Tmem81对雄性生育具有至关重要的作用。
敲除Tmem81后精子无法与卵子结合
研究者还通过突变Izumo1、Spaca6、Tmem81预测接触界面处，确认了三聚体在体内的存在。
接下来，研究者对三聚体和卵子之间的相互作用进行了预测。与哺乳动物中的JUNO不同，斑马鱼中，三聚体结合的是Bouncer。预测结果显示，Bouncer与三聚体的结合方式与JUNO完全不同。
事实上，Bouncer在哺乳动物中的同源物为SPACA4，SPACA4表达于卵母细胞而非睾丸，SPACA4的结构也大概并不会结合三聚体。
斑马鱼中三聚体与Bouncer结合（左）
小鼠中三聚体与JUNO结合（右）
研究者猜测，JUNO和Bouncer具有不同的三聚体结合位点，这或许意味着不同的选择压力，这有助于物种特异性的受精。
参考资料：
[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 | 代丝雨
