Найден ключевой белок оплодотворения, отвечающий за слияние гамет

Процесс слияния сперматозоида и яйцеклетки до сих пор плохо изучен. Тем не менее, за последние 20 лет были определены несколько белков, необходимых для взаимодействия гамет позвоночных. До настоящего момента считалось, что для этого достаточно двух белков, принадлежащих яйцеклетке и сперматозоиду. У человека это специфический для млекопитающих белок яйцеклетки JUNO и белок сперматозоида IZUMO1. Однако эксперименты показали, что клетки, экспрессирующие IZUMO1, связываются с клетками, экспрессирующими JUNO, но слияния при этом не происходит. Структурно с IZUMO1 схожи также белки SPACA6 и TMEM95, но в растворе они не взаимодействуют с JUNO.

Для поиска недостающих элементов международная группа ученых использовала AlphaFold-Multimer — программу на базе искусственного интеллекта, способную предсказывать взаимодействие белков. В ходе работы авторы проверяли, как будут взаимодействовать четыре фактора фертильности спермы позвоночных (Izumo1, Spaca6, Dcst1 и Dcst2) и примерно 1400 белков, экспрессируемыми в семенниках рыбок данио. Они обнаружили взаимодействия Izumo1-Spaca6 и Izumo1-Tmem81. Наиболее интересным ученые сочли взаимодействие с белком Tmem81, так как ранее об участии в оплодотворении этого трансмембранного белка не было известно. Филогенетически Tmem81 связан с Izumo1 и Spaca6 и имеет схожую с ними структуру и такой же, как у них, Ig-подобный домен. Гомологи белка Tmem81 есть у многих позвоночных, например, у миног, миксин и хрящевых рыб.

Белок Izumo1 может взаимодействовать и с Spaca6, и с Tmem81 по отдельности. Но программа AlphaFold-Multimer с высокой степенью достоверности предсказала существование у рыбки данио тримера из этих трех белков. Программа предсказала и существование такого тримера у млекопитающих. Исследователи предположили, что Tmem81 является одним из ключевых факторов оплодотворения и входит в консервативный тример белков в сперме позвоночных.

В ходе изучения физиологической функции Tmem81 авторы использовали CRISPR-Cas9 для создания нокаутных линий у рыбок данио и мышей. Мыши и рыбки данио Tmem81^-/- нормально развивались. Однако самцы рыбок и мышей Tmem81^-/- были стерильны, тогда как самки демонстрировали нормальную фертильность. Таким образом, этот белок — важнейший фактор оплодотворения у самцов и необходим для взаимодействия сперматозоида и яйцеклетки у позвоночных. Авторы также показали, что фенотип рыбок tmem81^−/− был похож на фенотип spaca6^−/− и izumo1^−/−. При делеции одного их белков уровни двух других также снижались на сперматозоидах. Исследование человеческих ортологов трех белков показало образование аналогичных тримеров.

На яйцеклетках рыбок вместо белка млекопитающих JUNO располагается неродственный белок Bouncer. Согласно прогнозу AlphaFold-Multimer, Bouncer может связываться с тримером, что приведет к соединению мембран спермы и яйцеклетки. Эксперименты подтвердили точность прогноза: тример действует как рецептор Bouncer, играя ключевую роль в образовании комплекса между сперматозоидом и яйцеклеткой у данио.

Гомологом Bouncer у млекопитающих является белок SPACA4, экспрессируемый в семенниках, а не в ооцитах, поэтому он не рассматривался как объект взаимодействия с тримером IZUMO1-SPACA6-TMEM81, несмотря на структурное сходство. Оказалось, что у млекопитающих с IZUMO1 связывается белок яйцеклетки JUNO, и, по данным AlphaFold-Multimer, связь JUNO-IZUMO1 возможна в тетрамерном белковом комплексе млекопитающих.

Таким образом, по мнению исследователей, образование белкового тримера необходимо для стабилизации или упаковки белков во время сперматогенеза, а также для образования сайта связывания с белком яйцеклетки и соединения мембран гамет. И хотя белки яйцеклеток человека и данио — JUNO и Bouncer — эволюционно не связаны и структурно не похожи, они выполняют одну и ту же функцию. Данная асимметричность может объяснятся тем, что эволюция спермы позвоночных шла по схожему пути, что позволило сохранить структурную гомологию ее белков, яйцеклетки же менялись в ходе адаптации к физиологическим и экологическим потребностям.

Исследователи указывают, что полученные данные могут использоваться для прогнозирования, а впоследствии — и для лечения бесплодия у человека.

Новое средство мужской контрацепции обратимо подавляет сперматогенез у мышей