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

有性生殖中精子和卵子的結合，好像是教科書上的基本知識，無須多想，但其實這個看似簡單的生命起源機制背後的實際分子機制，卻讓科學家抓破頭苦苦探索。現在，在人工智慧（AI）工具的幫助下，答案終於浮出水面。

一群來自奧地利、日本大阪、以色列以及加拿大的跨國團隊，近期於《細胞》（Cell）與《eLife》期刊上發表的論文，揭示了精子與卵子在受精過程中怎麼相遇的分子秘密。這些研究靠人工智慧技術 AlphaFold 的協助，成功找到一個由三種精子蛋白質組成的複合體，這些蛋白質就像分子細胞界的媒人一樣，幫助精子和卵子順利「手牽手」。原來，精子頭部的這個複合體在受精時，與卵子的受體蛋白質進行相互作用，讓受精這個生命重要時刻順利完成。

新科諾貝爾化學獎得獎技術 AlphaFold 大顯身手

這項研究的突破，還要歸功於人工智慧 AlphaFold。這個軟體由 Google DeepMind 團隊開發，並在今年榮獲了諾貝爾化學獎的一部分。AlphaFold 的強項就是精準預測蛋白質的結構，這次它預測出三種和精子相關的蛋白質——Izumo1、Spaca6 和 Tmem81 會形成一個三聚體，並與卵子的受體蛋白 Juno 發生作用。

在實驗室中，科學家們進一步驗證了這一預測。他們發現，當基因編輯技術刪除了斑馬魚和老鼠中的 Tmem81 基因後，精子就無法再與卵子順利結合，這證實了 Tmem81 在受精過程中的關鍵作用。

受精過程的三個「媒人」：Izumo1、Spaca6 和 Tmem81

科學家原本認為精子和卵子結合應該就像鑰匙開鎖一樣簡單，但實際上過程稍微複雜一些。除了已知精子上的 Izumo1、Spaca6 和卵子上的 Juno，本研究透過 AI 技術識別出一種新的蛋白質 Tmem81。這些蛋白質像是精子與卵子之間的「接線生」，負責確認「你真的是我要找的卵子嗎？」的訊號。

透過實驗，研究人員確認了這三種蛋白質形成的三聚體不僅是存在於精子頭部，還負責在受精過程中促進精子與卵子表面結合的過程。可以說，沒有精子上這個蛋白質「三人組」，我們的生命就不可能開始！

跨物種的機制：從魚類到哺乳動物通用的受精策略

研究團隊成員，奧地利維也納分子病理學研究所的科學家包立（Andrea Pauli）特別說明，雖然魚類和哺乳動物的受精環境大不相同（魚類多在體外，哺乳動物在體內），但這些蛋白質的機制竟然在兩類動物之間幾乎一致。研究團隊推測，這是精子和卵子在不同演化路徑上所做出的適應調整，這是演化過程中令人驚嘆的高度保守現象，高度保守指的是此基因在跨物種的相似程度都相當高，代表著這個基因序列在演化過程中幾乎沒有發生改變。

儘管研究團隊在斑馬魚中發現了精子三聚體，並後來證明這三種人類蛋白質能在試管中相互結合，但科欽研究所和巴黎市立大學的生殖生物學家齊亞亞特（ Ahmed Ziyyat）強調，這些研究尚未直接證明這一複合體自然形成於哺乳動物的精子上，或者它能與哺乳動物的卵子結合。

對不孕症治療和避孕帶來新啟發

這些關於精子和卵子結合的研究成果未來或許還能帶來醫學上的突破。不孕症的患者可能因為精子或卵子蛋白質的缺陷導致無法成功受精。通過這項發現，醫生可以篩查相關的基因突變，進一步找出不孕的原因。

此外，這項研究也可能對避孕研究產生重大影響。當我們知道了精子和卵子的結合機制，科學家可以設計出新的避孕方法，干擾這個結合過程，阻止受精的發生。

後話：AI 讓科學家走得更遠

這次的研究結果也讓科學家們對人工智慧的潛力感到振奮。研究合著者，英國約克大學的生物化學家萊特（Gavin Wright）表示，這些結果展現了 AlphaFold 等蛋白質折疊計算工具在解決科學難題上的強大實力。萊特表示：「我們在培養皿中混合人類精子和卵子的行為是非常嚴格受到監管的，使用 AI 計算模型可能真的是唯一的突破方式。」

這項研究突破之餘，還留下了許多新問題待釐清。接下來，研究團隊將繼續探索精子與卵子「牽手」後的後續步驟，因為目前的研究顯示，蛋白質三聚體並不完全負責精卵細胞融合的過程。包立表示：「這顯然是我們接下來要尋找的『聖杯』。」

精子和卵子的結合可能是最古老的生命之謎之一，但現在，借助 AI，我們終於揭開了其中一部分的秘密。這些發現不僅為科學研究指引了新的方向，還可能為醫療技術帶來革命性的變化。隨著人工智慧技術的進步，我們離解開更多生命奧秘的日子可能已經不遠了。

參考資料：

1. Deneke, V. E. et al.A conserved fertilization complex bridges sperm and egg in vertebrates. Cell (2024). https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.09.035

2. AlphaFold reveals how sperm and egg hook up in intimate detail

3. AI reveals how sperm sticks to egg during fertilization

（本文出自2024.10.21《科學人》網站，未經同意禁止轉載。）