科學人／精卵結合沒想像中簡單…3蛋白質成關鍵「媒人」 魚類也通用

新研究显示，老鼠精子上的三种蛋白质复合体（左下方蓝色标记的 DNA）使精子能够透过卵子受体蛋白质 Juno（绿色）锁定卵子（细胞质红色，DNA 蓝色，位于上方）。图／YONGGANG LU，大阪大学

有性生殖中精子和卵子的结合，好像是教科书上的基本知识，无须多想，但其实这个看似简单的生命起源机制背后的实际分子机制，却让科学家抓破头苦苦探索。现在，在人工智慧（AI）工具的帮助下，答案终于浮出水面。

一群来自奥地利、日本大阪、以色列以及加拿大的跨国团队，近期于《细胞》（Cell）与《eLife》期刊上发表的论文，揭示了精子与卵子在受精过程中怎么相遇的分子秘密。这些研究靠人工智慧技术 AlphaFold 的协助，成功找到一个由三种精子蛋白质组成的复合体，这些蛋白质就像分子细胞界的媒人一样，帮助精子和卵子顺利「手牵手」。原来，精子头部的这个复合体在受精时，与卵子的受体蛋白质进行相互作用，让受精这个生命重要时刻顺利完成。

新科诺贝尔化学奖得奖技术 AlphaFold 大显身手

这项研究的突破，还要归功于人工智慧 AlphaFold。这个软体由 Google DeepMind 团队开发，并在今年荣获了诺贝尔化学奖的一部分。AlphaFold 的强项就是精准预测蛋白质的结构，这次它预测出三种和精子相关的蛋白质——Izumo1、Spaca6 和 Tmem81 会形成一个三聚体，并与卵子的受体蛋白 Juno 发生作用。

在实验室中，科学家们进一步验证了这一预测。他们发现，当基因编辑技术删除了斑马鱼和老鼠中的 Tmem81 基因后，精子就无法再与卵子顺利结合，这证实了 Tmem81 在受精过程中的关键作用。

受精过程的三个「媒人」：Izumo1、Spaca6 和 Tmem81

科学家原本认为精子和卵子结合应该就像钥匙开锁一样简单，但实际上过程稍微复杂一些。除了已知精子上的 Izumo1、Spaca6 和卵子上的 Juno，本研究透过 AI 技术识别出一种新的蛋白质 Tmem81。这些蛋白质像是精子与卵子之间的「接线生」，负责确认「你真的是我要找的卵子吗？」的讯号。

透过实验，研究人员确认了这三种蛋白质形成的三聚体不仅是存在于精子头部，还负责在受精过程中促进精子与卵子表面结合的过程。可以说，没有精子上这个蛋白质「三人组」，我们的生命就不可能开始！

跨物种的机制：从鱼类到哺乳动物通用的受精策略

研究团队成员，奥地利维也纳分子病理学研究所的科学家包立（Andrea Pauli）特别说明，虽然鱼类和哺乳动物的受精环境大不相同（鱼类多在体外，哺乳动物在体内），但这些蛋白质的机制竟然在两类动物之间几乎一致。研究团队推测，这是精子和卵子在不同演化路径上所做出的适应调整，这是演化过程中令人惊叹的高度保守现象，高度保守指的是此基因在跨物种的相似程度都相当高，代表着这个基因序列在演化过程中几乎没有发生改变。

尽管研究团队在斑马鱼中发现了精子三聚体，并后来证明这三种人类蛋白质能在试管中相互结合，但科钦研究所和巴黎市立大学的生殖生物学家齐亚亚特（ Ahmed Ziyyat）强调，这些研究尚未直接证明这一复合体自然形成于哺乳动物的精子上，或者它能与哺乳动物的卵子结合。

对不孕症治疗和避孕带来新启发

这些关于精子和卵子结合的研究成果未来或许还能带来医学上的突破。不孕症的患者可能因为精子或卵子蛋白质的缺陷导致无法成功受精。通过这项发现，医生可以筛查相关的基因突变，进一步找出不孕的原因。

此外，这项研究也可能对避孕研究产生重大影响。当我们知道了精子和卵子的结合机制，科学家可以设计出新的避孕方法，干扰这个结合过程，阻止受精的发生。

后话：AI 让科学家走得更远

这次的研究结果也让科学家们对人工智慧的潜力感到振奋。研究合著者，英国约克大学的生物化学家莱特（Gavin Wright）表示，这些结果展现了 AlphaFold 等蛋白质折叠计算工具在解决科学难题上的强大实力。莱特表示：「我们在培养皿中混合人类精子和卵子的行为是非常严格受到监管的，使用 AI 计算模型可能真的是唯一的突破方式。」

这项研究突破之余，还留下了许多新问题待厘清。接下来，研究团队将继续探索精子与卵子「牵手」后的后续步骤，因为目前的研究显示，蛋白质三聚体并不完全负责精卵细胞融合的过程。包立表示：「这显然是我们接下来要寻找的『圣杯』。」

精子和卵子的结合可能是最古老的生命之谜之一，但现在，借助 AI，我们终于揭开了其中一部分的秘密。这些发现不仅为科学研究指引了新的方向，还可能为医疗技术带来革命性的变化。随着人工智慧技术的进步，我们离解开更多生命奥秘的日子可能已经不远了。

（本文出自2024.10.21《科学人》网站，未经同意禁止转载。）