精子和卵子的最初结合，是如何发生的？

每一个有性生殖的生物，其生命都是从受精开始的。

受精是胚胎发育的第一步，它始于精子在一系列化学信号的引导下到达卵子，然后通过特定的蛋白质相互作用与卵子的表面结合。这种结合使精子和卵子的细胞膜融合，并且使彼此的遗传物质融合形成受精卵——一个最终会长成新生命的单细胞。

尽管受精是一个非常重要的过程，但我们对精子和卵子是如何接触并最终融合的确切机制仍缺乏理解。目前，我们对脊椎动物的精子与卵子相互作用的分子基础的了解，主要来自于对小鼠和鱼类的遗传学研究。

在过去的20年里，科学家已经确定了许多对哺乳动物的精子与卵子相互作用至关重要的蛋白质。然而，能直接显示出在生化和结构上的相互作用并促进受精的，只有位于精子表面的Izumo1和位于卵子膜上的Juno。

用红色和绿色标记的小鼠卵子受精的荧光显微镜图像。DNA被标记为蓝色，卵子的受体蛋白“Juno”被标记为绿色，卵子的细胞质被标记为红色。（图/Yonggang Lu, Osaka University）

这就引发了两个关键的疑问：在精子与卵子的结合和融合过程中，是否还存在其他的关键因素？这些因素又是如何共同促进这一过程的？

在一项新发表于《细胞》杂志的研究中，一个国际研究团队利用人工智能工具AlphaFold的扩展——AlphaFold-Multimer，发现了一种新的、能促进精子和卵子之间的首次分子连接的蛋白质复合物。这一发现解释了一种对受精至关重要的锁钥机制在脊椎动物中是共有的。

开启受精的基础

对于有性生殖的生物来说，一个新生命的发展是由精子和卵子的融合所开启的，这一高度选择性的一次性事件，依赖于精子与卵子特有的特殊分子机制。多年来，在基因筛选的帮助下，科学家确定了几种与之相关的蛋白质。

在新的研究中，研究人员使用AI探索了对受精至关重要的基因列表，目的是研究这些蛋白质是如何在分子水平上起作用并相互作用的。

AlphaFold是一项基于序列来预测单个蛋白质结构的技术。现在，研究人员利用更新的AlphaFold-Multitimer来预测不同蛋白质如何相互作用并形成复合物。

他们将初步分析的重点放在精子表面的已知蛋白质上，并使用AlphaFold-Multitimer来识别受精过程中其他的潜在参与者。具体一点地说，他们汇集了一份预计存在于精子膜上的蛋白质清单，并使用AlphaFold-Multitimer对其进行生物信息学筛选，其中包含了数千项预测。AlphaFold-Multitimer预测了哪些蛋白质有可能发生相互作用，并筛选出有望进行进一步测试的蛋白质。

精子三聚体

通过这一初步的筛选，研究人员发现精子表面上的两种已知与受精有关的蛋白质——Izumo1和Spaca6，不仅会相互作用，而且还与第三种此前未知的蛋白质相互作用。而这种以前从未被表征过的新蛋白质就是Tmem81。

由Izumo1（黄）、Spaca6（淡紫）和Tmem81（红）组成的精子三聚体。（图/Deneke et al. 2024）

根据AlphaFold-Multimer的预测，这三种精子蛋白质会结合在一起，形成一个三聚体。为了验证AlphaFold-Multitimer的预测，研究人员对斑马鱼、小鼠，以及人类细胞进行了生物实验。

实验结果证实了，Tmem81对斑马鱼和小鼠的生育能力至关重要。而且与预测的一致，Izumo1、Spaca6和Tmem81在斑马鱼的精子中会相互作用，并且在人类细胞的体外实验中也能相互作用。

斑马鱼的卵子（蓝色）与精子（橙色）受精。（图/IMP）

此外，尤为值得一提的是，研究人员还发现在斑马鱼中，这种精子三聚体会与一种名为“Bouncer”的卵子蛋白质相互作用，它能为Bouncer创造一个结合位点。我们可以将Bouncer比作一把锁，只有拥有正确的钥匙才能打开这把锁所并进入卵子，它的作用等价于哺乳动物中的Juno。

斑马鱼是发育生物学研究中的一种重要的模型动物。（图/IMP）

这些发现不仅证实了AlphaFold-Multimer的预测，而且还证实了它存在于不同脊椎动物群体的不同物种中——当它无法形成时，就会导致动物不育。

这种由三种蛋白质形成的精子三聚体，是一个令科学家惊喜的发现。虽然在不同物种中，为了诱发精子和卵子结合而发生相互作用的卵子蛋白质有所不同，但从进化的角度来看，这种精子三聚体在脊椎动物中是保守的——它在数百万年中的进化中能得以保守的事实，凸显了这种锁钥过程的重要性。

人类精子的荧光显微图像。（图/IMP）

而更令科学家兴奋的是，他们现在有了一种方法来可视化两种已知的蛋白质如何与新的蛋白质相互作用并形成三聚体。研究人员希望，这一发有望带来筛查不孕症的新方法。