研究揭示了精子卵子融合的分子细节

精子细胞与卵细胞的融合是该过程中的第一步，导致有性繁殖物种中的新个体。这个过程可能是基本的，科学家们现在才开始了解它的工作原理的复杂性。

在PLOS Biology上发表的一篇论文中，研究人员描述了蛋白质的详细结构，这些蛋白质能够在两种不同的物种中进行精子 - 卵子融合：开花植物和原生动物。研究人员希望，揭示这些物种及其亲属的过程可能会让科学家更接近于了解包括人类和其他脊椎动物在内的有性物种。

“令我惊讶的是，我们仍然不知道人类的精子如何与人类卵子融合，”布朗大学生物学副教授兼研究合着者马克约翰逊说。“我们希望本文将要做的事情之一是建立蛋白质的结构特征，使配子融合在这些物种中发挥作用，这样我们就可以在那些蛋白质机制尚不清楚的物种中寻找它。”

约翰逊多年来一直致力于了解配子(精子和卵子)融合。在21世纪初，他在开花植物物种拟南芥(Arabidopsis thaliana)的精子膜上发现了一种蛋白质，这种蛋白质似乎对该物种的配子融合过程有一些影响。他的研究表明，产生蛋白质的基因突变(称为HAP2)导致精子无法与拟南芥卵融合。

几年后，与约翰逊合作的布朗研究生克里斯汀比尔预测，HAP2与病毒用于进入宿主细胞的蛋白质有关。约翰逊说，这是有道理的，因为精子和病毒都需要有一种将自身插入细胞膜的机制。

自那些最初的发现以来，约翰逊和其他研究人员已经在其他生物的基因组中搜索了与拟南芥HAP2相似的基因序列。他们在各种真核生物(细胞具有离散核的生物体)中发现了相似的序列 - 多种植物物种，藻类，昆虫和一些动物。然而，在包括人类在内的脊椎动物中，它显然不存在。

约翰逊说，有可能脊椎动物确实有类似HAP2的蛋白质，但它的基因序列可能在进化史上发生了很大的变化，研究人员很难单独通过序列发现。因此，不是寻找产生蛋白质的基因，而是研究蛋白质本身的结构可能更好 - 寻找与已经鉴定的HAP2蛋白质结构相似的脊椎动物蛋白质。但这需要详细解决已知HAP2蛋白的结构，这是约翰逊和他的同事们对这项最新研究所做的。

约翰逊的实验室与位于巴黎巴斯德研究所的Felix Rey实验室合作，研究生Juliette Fedry从两个远缘相关的真核生物中分辨出HAP2蛋白的结构：拟南芥和克氏原螯虾(一种原生动物寄生虫)。为解决这些问题，巴黎的团队使用了一种称为X射线晶体学的技术，该技术包括使蛋白质结晶，然后观察晶体如何散射X射线。可以从散射图案观察蛋白质的结构。Rey的实验室专门研究该技术，特别是对与HAP2相关的病毒融合蛋白进行成像。

约翰逊实验室的研究生Jennifer Forcina利用这些新颖的结构数据来确定HAP2如何驱动开花植物的受精，定义插入蛋膜的蛋白质尖端的氨基酸。

该研究发现，虽然来自这两个物种的HAP2蛋白的基本结构大致相似，但它们在关键领域已经发展到不同。具体而言，蛋白质的尖端 - 被认为首先刺穿卵细胞膜的部分 - 显着不同。虽然流动的植物HAP2在尖端采用单螺旋结构，但原生动物版本具有三个钩在目标膜上的小环。虽然两种蛋白质之间插入机制的差异为HAP2如何发挥作用提供了新的亮点，但两者之间的相似性对于寻找其他生物体中的HAP2非常重要，约翰逊说。

“在这一点上，我们有两种生物：我们知道配子融合的工作原理 - 它们都有HAP2和生物体，我们不知道配子融合是如何工作的，其中没有一种具有可识别的HAP2，”约翰逊说。“现在我们知道这两种蛋白质在序列水平上存在差异的结构保守性，我们可以考虑寻找那些在其他物种中寻找相关蛋白质的结构。”

约翰逊说，这包括人类。“我们只需要为人类蛋白质获得更多结构，这样我们就可以寻找共同的结构特征。”

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