模拟揭示了精子亲吻卵子时会发生什么

当一个滑行的精子将自己头朝下推入凝胶状卵子的那一刻是突然变化的时刻之一。在几秒到几分钟,卵膜的化学变化和外涂层颁布给阻止更多的精子从附着到卵母细胞并进入卵母细胞。

从化学上讲,当精子和卵子相互识别时,也会发生一系列反应,然后开始将它们的膜合并在一起。但是,尽管这些微妙的分子事件具有重要意义,但它们的细节尚未完全解决。

苏黎世联邦理工学院和瑞士慕尼黑路德维希马克西米利安大学的研究人员的一项新研究现在揭示了一种特殊蛋白质复合物的复杂性,该复合物以其在受精过程中的关键作用而闻名。

“据推测,两种蛋白质[JUNO和IZUMO1]结合成复合物会启动生殖细胞之间的识别和粘附过程,从而使它们能够融合,”解释苏黎世联邦理工学院的生物信息学家Paulina Pacak是该研究的第一作者。

JUNO位于雌性卵细胞的外膜上,而IZUMO1位于雄性精子细胞表面,是两个新融合的性细胞之间第一个已知的物理联系。

然而,开发JUNO-IZUMO1结合的小分子抑制剂作为潜在避孕措施的努力并没有达到太多,因此研究人员怀疑它们的分子相互作用可能比我们所知道的要多。

通常用于确定单个蛋白质和蛋白质复合物结构的技术,例如冷冻电子显微镜蛋白质晶体学,还涉及快速冷冻蛋白质或结晶它们,这意味着它们只能产生这些蛋白质结构的静态图像,无法捕获它们的动态相互作用。

但是在细胞内部,蛋白质不断被制造并折叠成形状,漂浮在水样混合物中细胞质,与他们的伴侣绑定和分离,并被回收。

因此,Pacak及其同事使用瑞士超级计算机来模拟JUNO和IZUMO1在水中的相互作用,因此更接近它们在细胞中的自然形式。

每次模拟仅跨越200纳秒,但他们表明,JUNO-IZUMO1复合物最初被许多短暂而微弱的复合物稳定下来非共价相互作用蛋白质分子之间。

研究人员说,这些接触每次持续不到50纳秒,了解当它们被其他分子或突变打断时会发生什么,可以提供对避孕药和不孕症的见解建议.

接下来,Pacak及其同事模拟了将JUNO-IZUMO1复合物结合在一起的更持久的键如何被锌离子破坏。

精子和卵子结合几分钟后,受精卵会释放出大量带电的锌原子,这些锌原子被认为可以防止其他精子进入通过硬化其外皮来使鸡蛋变硬。

模拟表明,锌离子的存在使IZUMO1弯曲成回旋镖形状,因此它不能再与JUNO牢固结合。这表明卵子的锌释放也可能阻碍接近精子的结合。

虽然这些只是基于蛋白质序列和形状的计算机模拟,但这些发现确实为受精的最初时刻提供了新的视角。

“我们只能在模拟的帮助下找到这样的东西,”维奥拉·沃格尔(Viola Vogel),苏黎世联邦理工学院的生物物理学家和资深作者。

“根据蛋白质的静态晶体结构,我们从中得出的发现几乎是不可能的。

该研究已发表在科学报告。

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