Badania z wykorzystaniem narzędzia AI AlphaFold ujawniły nowy kompleks białkowy, który inicjuje proces zapłodnienia między plemnikiem a komórką jajową, rzucając światło na interakcje molekularne niezbędne do pomyślnego zapłodnienia.
Badania genetyczne odkryły wiele białek biorących udział w początkowym kontakcie plemnika z komórką jajową. Jednak bezpośredni dowód na to, jak te białka wiążą się lub tworzą kompleksy umożliwiające zapłodnienie, pozostaje niejasny. Teraz laboratorium Andrei Pauli w IMP, współpracując z międzynarodowymi współpracownikami, połączyło przewidywania strukturalne oparte na sztucznej inteligencji z dowodami eksperymentalnymi, aby odkryć kluczowy kompleks nawozowy. Wyniki ich badań, oparte na badaniach na danio pręgowanym, myszach i komórkach ludzkich, opublikowano w czasopiśmie Komórka.
Odkrywanie tajemnicy syntezy komórkowej
Zapłodnienie to pierwszy etap formowania się zarodka, rozpoczynający się od podróży plemnika w stronę komórki jajowej, kierowanej sygnałami chemicznymi. Kiedy plemnik dociera do komórki jajowej, wiąże się z powierzchnią komórki jajowej poprzez specyficzne interakcje białkowe. To wiązanie przygotowuje ich błony do połączenia, umożliwiając połączenie ich materiału genetycznego i utworzenie zygoty – pojedynczej komórki, która ostatecznie rozwinie się w nowy organizm.
Chociaż poczyniono znaczne postępy w zrozumieniu tych wczesnych etapów, dokładne mechanizmy umożliwiające spotkanie i połączenie plemnika i komórki jajowej pozostają nieuchwytne. W przeciwieństwie do większości komórek, które zachowują odrębność i odrębną tożsamość, plemniki i komórki jajowe są wyjątkowo wyspecjalizowane w procesie fuzji. Proces ten obejmuje wysoce regulowaną sekwencję zdarzeń molekularnych, którą naukowcy dopiero zaczynają odkrywać.
„Pocałunek życia” jaja i nasienia
W ciągu ostatnich 20 lat zidentyfikowano wiele białek niezbędnych do interakcji między plemnikiem ssaków a komórką jajową. Jednak tylko dwa z nich – Izumo1 znajdujący się na powierzchni plemnika i Juno znajdujący się na błonie komórki jajowej – potwierdzono, że bezpośrednio wiążą się ze sobą, ułatwiając zapłodnienie.
Korzystając z najnowszych osiągnięć narzędzia sztucznej inteligencji (AI) AlphaFold, laboratorium Andrei Pauli w IMP oraz międzynarodowi współpracownicy zidentyfikowali nowy kompleks białkowy, który ułatwia pierwsze molekularne połączenie między plemnikiem a komórką jajową oraz wykazał jego funkcję w organizmach żywych. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Komórka, pokazują, że podstawowy mechanizm kluczowy kluczowy dla zapłodnienia jest wspólny dla wszystkich[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>vertebrates.
AI Unlocks Foundations of Fertilization
The fusion of sperm and egg is a highly selective, one-time event that will kickstart the development of a whole new organism. This process relies on a specialised molecular machinery unique to these cell types. Over the years, genetic screens have helped scientists identify several proteins involved.
Researchers turned to AI to go beyond a list of genes important for fertilization, aiming instead to reveal how these elements function and interact at the molecular level. They used ‘AlphaFold Multimer’, an advanced software that extends the original AlphaFold technology—which predicts individual protein structures based on their sequences—to forecast how different proteins interact with each other and form complexes.
Zidentyfikowano nowy kompleks białkowy
Koncentrując się w początkowej analizie na białkach występujących na powierzchni plemników, zespół zastosował narzędzie sztucznej inteligencji, aby zidentyfikować potencjalne dodatkowe czynniki zapłodnienia. „Zebraliśmy listę białek, które według przewidywań mogą znajdować się w błonie plemnika, i przeprowadziliśmy bioinformatyczny ekran obejmujący tysiące prognoz przy użyciu AlphaFold” – wyjaśnia Victoria Deneke, postdoc w laboratorium Pauli i współpierwsza autorka badania. „AlphaFold przewidział, które białka mogą ze sobą oddziaływać, i zasugerował obiecujących kandydatów do dalszych testów”.
Dzięki temu wstępnemu badaniu przesiewowemu odkryli, że dwa wcześniej znane białka związane z płodnością na powierzchni plemnika – Izumo1 i Spaca6 – nie tylko wchodziły w interakcję ze sobą, ale także z trzecim, wcześniej nieznanym czynnikiem: Tmem81. „Byliśmy zaskoczeni, gdy odkryliśmy nowe białko, którego nigdy wcześniej nie scharakteryzowano” – wyjaśnia Andreas Blaha, współpierwszy autor i student programu doktoranckiego Vienna BioCenter. „Naprawdę podekscytowało nas to, że mogliśmy teraz wizualizować, jak dwa już znane białka oddziałują z tym nowym czynnikiem, tworząc trimer”.
Naukowcy potwierdzili przewidywania sztucznej inteligencji poprzez eksperymenty na żywych organizmach – od modelu danio pręgowanego po myszy, a także na komórkach ludzkich. Potwierdzili nie tylko, że ten trimer tworzy się w komórkach, ale także, że istnieje w różnych komórkach gatunek z różnych grup kręgowców – a gdy się nie uformuje, czyni zwierzę bezpłodnym. „Ten trimer jest zakotwiczony w błonie komórkowej plemnika, a dwa z trzech białek tworzą miejsce wiązania białka jaja u danio pręgowanego” – kontynuuje Blaha.
Ewolucyjne perspektywy nawożenia
Stwierdzono, że kompleks na błonie plemnika wchodzi w interakcję ze strażnikiem jaja danio pręgowanego, znajdującym się na powierzchni jaja. Bramkarz służy jako zamek, który zapewnia dostęp do jaja tylko za pomocą odpowiedniego klucza, podobnie jak jego ssaczy odpowiednik Juno.
Kompleks trimeryczny plemnika jest konserwowany ewolucyjnie u kręgowców, podczas gdy oddziałujące na siebie białka jaja zmieniły się u różnych gatunków, pośrednicząc w wiązaniu plemnika i komórki jajowej.
Wniosek: Znaczenie odkrycia
„Identyfikacja tego kompleksu trzech białek to duży krok naprzód”, mówi Andrea Pauli. „Fakt, że utrzymywał się on przez miliony lat ewolucji, pokazuje, jak ważny jest ten proces zamknięcia i klucza. Ale naprawdę zaskakujące jest to, że konserwatywny trimer plemnika wykorzystuje ewolucyjnie niezwiązane białka jaja, aby dokować do powierzchni komórki jajowej – ewolucyjna różnorodność skutkuje uniwersalnym mechanizmem już na początku życia!”
Odniesienie: „Konserwatywny kompleks zapłodnienia łączy plemnik i komórkę jajową u kręgowców” autorstwa Victorii E. Deneke, Andreasa Blaha, Yonggang Lu, Johannesa P. Suwita, Jonne M. Draper, Clara S. Phan, Karin Panser, Alexander Schleiffer, Laurine Jacob, Theresa Humer, Karel Stejskal, Gabriela Krssakova, Elisabeth Roitinger, Dominik Handler, Maki Kamoshita, Tyler DR Vance, Xinyin Wang, Joachim M. Surm, Yehu Moran, Jeffrey E. Lee, Masahito Ikawa i Andrea Pauli, 17 października 2024 r., Komórka.
DOI: 10.1016/j.cell.2024.09.035
