研究揭示了精子卵子融合的分子細(xì)節(jié)
精子細(xì)胞與卵細(xì)胞的融合是該過程中的第一步,導(dǎo)致有性繁殖物種中的新個(gè)體。這個(gè)過程可能是基本的,科學(xué)家們現(xiàn)在才開始了解它的工作原理的復(fù)雜性。
在PLOS Biology上發(fā)表的一篇論文中,研究人員描述了蛋白質(zhì)的詳細(xì)結(jié)構(gòu),這些蛋白質(zhì)能夠在兩種不同的物種中進(jìn)行精子 - 卵子融合:開花植物和原生動(dòng)物。研究人員希望,揭示這些物種及其親屬的過程可能會(huì)讓科學(xué)家更接近于了解包括人類和其他脊椎動(dòng)物在內(nèi)的有性物種。
“令我驚訝的是,我們?nèi)匀徊恢廊祟惖木尤绾闻c人類卵子融合,”布朗大學(xué)生物學(xué)副教授兼研究合著者馬克約翰遜說。“我們希望本文將要做的事情之一是建立蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征,使配子融合在這些物種中發(fā)揮作用,這樣我們就可以在那些蛋白質(zhì)機(jī)制尚不清楚的物種中尋找它。”
約翰遜多年來一直致力于了解配子(精子和卵子)融合。在21世紀(jì)初,他在開花植物物種擬南芥(Arabidopsis thaliana)的精子膜上發(fā)現(xiàn)了一種蛋白質(zhì),這種蛋白質(zhì)似乎對(duì)該物種的配子融合過程有一些影響。他的研究表明,產(chǎn)生蛋白質(zhì)的基因突變(稱為HAP2)導(dǎo)致精子無法與擬南芥卵融合。
幾年后,與約翰遜合作的布朗研究生克里斯汀比爾預(yù)測(cè),HAP2與病毒用于進(jìn)入宿主細(xì)胞的蛋白質(zhì)有關(guān)。約翰遜說,這是有道理的,因?yàn)榫雍筒《径夹枰幸环N將自身插入細(xì)胞膜的機(jī)制。
自那些最初的發(fā)現(xiàn)以來,約翰遜和其他研究人員已經(jīng)在其他生物的基因組中搜索了與擬南芥HAP2相似的基因序列。他們?cè)诟鞣N真核生物(細(xì)胞具有離散核的生物體)中發(fā)現(xiàn)了相似的序列 - 多種植物物種,藻類,昆蟲和一些動(dòng)物。然而,在包括人類在內(nèi)的脊椎動(dòng)物中,它顯然不存在。
約翰遜說,有可能脊椎動(dòng)物確實(shí)有類似HAP2的蛋白質(zhì),但它的基因序列可能在進(jìn)化史上發(fā)生了很大的變化,研究人員很難單獨(dú)通過序列發(fā)現(xiàn)。因此,不是尋找產(chǎn)生蛋白質(zhì)的基因,而是研究蛋白質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)可能更好 - 尋找與已經(jīng)鑒定的HAP2蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相似的脊椎動(dòng)物蛋白質(zhì)。但這需要詳細(xì)解決已知HAP2蛋白的結(jié)構(gòu),這是約翰遜和他的同事們對(duì)這項(xiàng)最新研究所做的。
約翰遜的實(shí)驗(yàn)室與位于巴黎巴斯德研究所的Felix Rey實(shí)驗(yàn)室合作,研究生Juliette Fedry從兩個(gè)遠(yuǎn)緣相關(guān)的真核生物中分辨出HAP2蛋白的結(jié)構(gòu):擬南芥和克氏原螯蝦(一種原生動(dòng)物寄生蟲)。為解決這些問題,巴黎的團(tuán)隊(duì)使用了一種稱為X射線晶體學(xué)的技術(shù),該技術(shù)包括使蛋白質(zhì)結(jié)晶,然后觀察晶體如何散射X射線。可以從散射圖案觀察蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。Rey的實(shí)驗(yàn)室專門研究該技術(shù),特別是對(duì)與HAP2相關(guān)的病毒融合蛋白進(jìn)行成像。
約翰遜實(shí)驗(yàn)室的研究生Jennifer Forcina利用這些新穎的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來確定HAP2如何驅(qū)動(dòng)開花植物的受精,定義插入蛋膜的蛋白質(zhì)尖端的氨基酸。
該研究發(fā)現(xiàn),雖然來自這兩個(gè)物種的HAP2蛋白的基本結(jié)構(gòu)大致相似,但它們?cè)陉P(guān)鍵領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到不同。具體而言,蛋白質(zhì)的尖端 - 被認(rèn)為首先刺穿卵細(xì)胞膜的部分 - 顯著不同。雖然流動(dòng)的植物HAP2在尖端采用單螺旋結(jié)構(gòu),但原生動(dòng)物版本具有三個(gè)鉤在目標(biāo)膜上的小環(huán)。雖然兩種蛋白質(zhì)之間插入機(jī)制的差異為HAP2如何發(fā)揮作用提供了新的亮點(diǎn),但兩者之間的相似性對(duì)于尋找其他生物體中的HAP2非常重要,約翰遜說。
“在這一點(diǎn)上,我們有兩種生物:我們知道配子融合的工作原理 - 它們都有HAP2和生物體,我們不知道配子融合是如何工作的,其中沒有一種具有可識(shí)別的HAP2,”約翰遜說。“現(xiàn)在我們知道這兩種蛋白質(zhì)在序列水平上存在差異的結(jié)構(gòu)保守性,我們可以考慮尋找那些在其他物種中尋找相關(guān)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。”
約翰遜說,這包括人類。“我們只需要為人類蛋白質(zhì)獲得更多結(jié)構(gòu),這樣我們就可以尋找共同的結(jié)構(gòu)特征。”
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