Początek życia. Naukowcy ustalili, jak plemnik i komórka jajowa łączą się ze sobą

Zapłodnienie to pierwszy krok w rozwoju zarodka. Rozpoczyna się od podróży plemnika do komórki jajowej. Po przybyciu plemnik wiąże się z powierzchnią komórki jajowej poprzez określone interakcje białkowe. To wiązanie przygotowuje ich błony do połączenia. Ale sposób, w jaki łączy się plemnik z komórką jajową, do tej pory nie był do końca poznany. Nowe badania naukowców z Austrii dostarczają pewnych wskazówek pokazując, jak dochodzi do zapłodnienia. Uczeni w swoich pracach wykorzystali oprogramowanie opracowane przez dwóch tegorocznych laureatów Nagrody Nobla z chemii. Wyniki oraz opis badań ukazał się na łamach pisma "Cell".

– Odkryliśmy mechanizm, który, na ile możemy stwierdzić, jest naprawdę fundamentalny dla wszystkich kręgowców – powiedziała Andrea Pauli z Research Institute of Molecular Pathology w Wiedniu, współautorka publikacji.

Zespół odkrył, że trzy białka znajdujące się na plemniku łączą się, tworząc rodzaj klucza, który otwiera komórkę jajową, umożliwiając plemnikom połączenie się z nią i wymianę materiału genetycznego. Ich odkrycia, zaczerpnięte z badań na danio pręgowanym, myszach i komórkach ludzkich, pokazują, jak ten proces wygląda.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Naukowcy wykorzystali w swoich pracach narzędzie sztucznej inteligencji AlphaFold opracowane przez naukowców z DeepMind, firmy powiązanej z Google. AlphaFold potrafi przewidywać trójwymiarowe struktury białek na podstawie ich sekwencji aminokwasów. Dwa lata temu AlphaFold określił prawdopodobne struktury prawie wszystkich znanych nauce białek. To około 200 milionów białek z prawie każdego znanego organizmu na Ziemi, którego genom został zsekwencjonowany, torując drogę do rozwoju nowych leków lub technologii, które mogą pomóc sprostać globalnym wyzwaniom, takim jak głód czy zanieczyszczenie środowiska.

Naukowcy wcześniej wiedzieli o dwóch białkach – jednym na powierzchni plemnika i drugim na błonie komórki jajowej. Wiedzieli, że odgrywają one rolę w połączeniu się plemnika i komórki jajowej. W 2005 roku zespół z Japonii wykazał, że usunięcie określonego genu u myszy spowodowało, że zwierzęta te wytwarzały zdrowo wyglądające, ruchliwe plemniki, które mimo to nie łączyły się z komórkami jajowymi. Odkryty gen nazwali Izumo1. Prawie dekadę później inna grupa odkryła receptor białkowy na komórkach jajowych, który wiązał się z Izumo1 i nazwała go Juno.

Z czasem inne zespoły odkryły dodatkowe białka. W 2020 roku badacze wykazali, że myszy, u których usunięto gen Spaca6, wytwarzały plemniki z tymi samymi defektami, co gryzonie pozbawione Izumo1. Chociaż odkrycia wskazywały na konieczność interakcji dwóch białek plemników i receptora na komórce jajowej, aby doszło do połączenia, jego szczegóły pozostawały nieuchwytne. Dlatego badacze zwrócili się do AlphaFold i odkryli, że dwa białka nie wystarczą.

Połączenie jajeczka i plemnika u kręgowców jest molekularną zagadką, która okazała się trudna do rozwikłania. Połączenie to obejmuje białka znajdujące się w ich błonach i jest trudne do zbadania za pomocą standardowych metod biochemicznych. Interakcje między tymi białkami są często słabe i ulotne.

Badania biologii rozrodu jest trudne, zwłaszcza, że eksperymenty z tkanką ludzką mogą być nieetyczne, a mieszanie plemników i jajeczek w laboratorium jest ściśle regulowane. W takich przypadkach wykorzystanie modelowania obliczeniowego jest jedynym sposobem badań i pokazuje potencjał sztucznej inteligencji na tym polu.

Austriaccy badacze rozpoczęli prace nad ustaleniem mechanizmu połączenia plemnika z komórką jajową od badań danio pręgowanego. To mała rybka popularna wśród akwarystów, ale też w społeczności naukowców, którym służy jako organizm modelowy w badaniach nad rozwojem kręgowców.

Pauli wraz z zespołem w swoich pracach wykorzystała AplhaFold, aby wyjść poza listę genów ważnych dla zapłodnienia, starając się odkryć, jak te elementy funkcjonują i oddziałują na siebie na poziomie molekularnym. Skupiając swoją analizę na białkach, o których wiadomo, że znajdują się na powierzchni plemników, zespół wykorzystał AplhaFold do zidentyfikowania potencjalnych dodatkowych uczestników zapłodnienia.

– Zebraliśmy listę białek, co do których przewidywano, że będą znajdować się w błonie plemnika i przeprowadziliśmy badanie bioinformatyczne obejmujące tysiące przewidywań przy użyciu AlphaFold. AlphaFold przewidział, które białka mogą wchodzić ze sobą w interakcje i zasugerował obiecujących kandydatów do dalszych testów – wyjaśniła Victoria Deneke pracująca w laboratorium Pauli, współautorka badania.

Algorytmy zasugerowały, że trzy białka plemników współpracują ze sobą, tworząc kompleks. Uczeni odkryli, że dwa wcześniej znane białka związane z płodnością na powierzchni plemnika, czyli Izumo1 i Spaca6, nie tylko wchodzą w interakcje ze sobą, ale także z trzecim czynnikiem: Tmem81.

Uczeni przeprowadzili eksperymenty, aby sprawdzić, czy kompleks zidentyfikowany przez sztuczną inteligencją istnieje w rzeczywistości. AlphaFold zidentyfikowało białko Tmem81, które było znane naukowcom, ale wcześniej nie było wiązane z zapłodnieniem. Naukowcy ustalili, że usunięcie genu Tmem81 u danio pręgowanego i myszy, a także w komórkach ludzkich, powodowało takie same defekty plemników, jak usunięcie Izumo1 lub Spaca6, co potwierdza, że ​​to trzecie białko jest również kluczowe dla zapłodnienia.

Zespół odkrył również, że u danio pręgowanego trio białek tworzy miejsce, w którym białko komórki jajowej może się związać. Jest to mechanizm, dzięki któremu dwie komórki mogą się rozpoznać. Badacze dosyć obrazowo przedstawili swoje odkrycia wskazując, że odkryte trio białek funkcjonuje jako swatki między gametami u kręgowców. Naukowcy odkryli również, że dodanie przeciwciał dla Izumo1, Spaca6 lub Tmem81 do próbek plemników danio pręgowanego zawsze oddziaływało na wszystkie trzy białka razem, co potwierdza, że tworzą one kompleks, tak jak przewidział AlphaFold.

Odkrycia te mogą w przyszłości doprowadzić do nowych terapii leczenia niepłodności. Być może to problemy z którymś z tych białek są przyczyną problemów z zajściem w ciążę. Prace te mogą również pomóc opracować nowe sposoby antykoncepcji.

Źródło: Science, Nature, AP