Благодаря усовершенствованной версии инструмента искусственного интеллекта AlphaFold от Google DeepMind учёным удалось совершить прорыв в понимании фундаментального биологического процесса. Исследователи идентифицировали стабильный комплекс из трёх ключевых белков на поверхности сперматозоида, который абсолютно необходим для успешного распознавания и связывания с яйцеклеткой. Это открытие, актуальное для всех позвоночных, кардинально меняет прежние научные представления, согласно которым для инициации оплодотворения было достаточно взаимодействия всего двух белков — по одному на каждой гамете.
Загадка слияния гамет
Процесс оплодотворения, слияния сперматозоида и яйцеклетки, знаменует начало новой жизни. Мужская половая клетка находит яйцеклетку, следуя химическим сигналам, после чего происходит критически важное событие — специфическое белковое взаимодействие на поверхности клеток. Это взаимодействие запускает слияние их мембран, объединение генетического материала и образование зиготы. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, молекулярные детали этого процесса долгое время оставались скрытыми от учёных. В отличие от обычных клеток, которые строго сохраняют свою целостность, сперматозоид и яйцеклетка эволюционно «настроены» на слияние. Эта высокоспецифичная последовательность событий происходит очень быстро на уровне липидных мембран, что делает её крайне сложной для изучения традиционными биохимическими методами.
Дополнительную трудность создаёт работа с гаметами лабораторных млекопитающих, таких как мыши, которые сложны в получении и хранении. Поэтому многие фундаментальные открытия в области репродукции были сделаны на морских беспозвоночных, например, морских ежах, которые производят огромное количество половых клеток. В новом исследовании для преодоления этих барьеров учёные выбрали модель позвоночного животного — рыбку данио (Danio rerio), которая также выделяет яйца и сперму в воду. А для предварительного анализа возможных межбелковых взаимодействий они привлекли мощь AlphaFold — революционного ИИ-инструмента для предсказания структуры белков, отмеченного Нобелевской премией.
Роль искусственного интеллекта в открытии нового белка
За последние два десятилетия генетические исследования позволили выявить несколько белков, играющих роль в оплодотворении. Наиболее известными из них являются белок сперматозоида Izumo1 и его партнёр на яйцеклетке — рецептор Juno. Ранее считалось, что их взаимодействие по принципу «ключ-замок» является основным и достаточным для узнавания.
Обратите внимание: MIT и IBM хотят изменить наш мир с помощью искусственного интеллекта.
Однако, как показало новое исследование, картина гораздо сложнее.Используя улучшенную версию AlphaFold Multimer, способную моделировать взаимодействия между несколькими белками, команда провела масштабный биоинформатический анализ. «Мы составили список мембранных белков сперматозоидов и проанализировали тысячи предсказаний с помощью AlphaFold Multimer», — пояснила соавтор работы Виктория Денеке. Алгоритм выявил ранее неизвестный компонент — белок Tmem81, который оказался необходимым вспомогательным звеном для связи с Juno. Оказалось, что белки Izumo1 и Spaca6 взаимодействуют не только друг с другом, но и с Tmem81, формируя трёхкомпонентный комплекс, и только в таком виде способны эффективно связываться с белками яйцеклетки. Это яркий пример того, как вычислительные методы могут компенсировать ограничения экспериментальных подходов.
Эволюционно консервативный механизм
Чтобы проверить предсказания ИИ, учёные провели эксперименты на трёх модельных объектах: рыбках данио, мышах и человеческих клетках. Результаты были однозначны: комплекс из трёх белков (Izumo1-Spaca6-Tmem81) оказался необходимым для успешного оплодотворения у всех изученных позвоночных. Этот тример, закреплённый на мембране сперматозоида, выступает в роли высокоспецифичного «ключа». В роли «замка» на яйцеклетке у млекопитающих выступает Juno, а у рыб — аналогичный белок под названием Bouncer. Отсутствие функционального трёхбелкового комплекса делает сперматозоиды стерильными.
Яйца рыбок данио (отмечены синим цветом), оплодотворенные спермой (отмечены оранжевым). Что особенно важно, комплекс белков сперматозоида оказался эволюционно консервативным — он сохранился у всех позвоночных за миллионы лет эволюции. В то же время белки-«замки» на яйцеклетке (как Juno у млекопитающих) могут различаться. «Тот факт, что комплекс сперматозоидов сохранялся так долго, говорит о его критической важности. Поразительно, что этот консервативный „ключ“ научился открывать разные эволюционные „замки“ на яйцеклетках», — отметила Андреа Паули из Исследовательского института молекулярной патологии (IMP).
Это фундаментальное открытие открывает новые перспективы. Оно может лечь в основу разработки более точных методов диагностики причин мужского бесплодия, а также inspire создание новых терапевтических подходов. Результаты исследования были опубликованы в авторитетном журнале Cell.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.