|
De novo protein identification in mammalian sperm using in situ cryoelectron tomography and AlphaFold2 docking 【作者】 美国加州大学旧金山分校的David Agard团队 【实验模型/对象】哺乳动物（人和小鼠）的精子 核心内容 2023年10月20日，美国加州大学旧金山分校的David Agard团队在Cell 期刊在线发表了题为De novo protein identification in mammalian sperm using in situ cryoelectron tomography and AlphaFold2 docking的研究论文，将预测蛋白质结构的AlphaFold2和观察蛋白质结构的冷冻电镜两种技术结合后在哺乳动物精子中鉴定出影响其运动的新蛋白质。
AlphaFold2的相关背景 AlphaFold2 是 DeepMind 公司开发的一款人工智能蛋白质折叠预测工具，通过应用深度学习技术，能够准确预测蛋白质的三维结构。在最新披露的结果中，AlphaFold2 的预测精度已经达到了实验解析结构的程度，甚至成功预测了新冠病毒 SARS-COV-2 的结构。 网络上曾有人提出：AI都能解蛋白质结构了，像国外闻名的施一公和颜宁等结构生物学家们是不是该失业了？该话题引发激烈的讨论。其中一篇文章的部分截图如下：
深度学习已经为结构生物学带来了显著的转变。AlphaFold2 的高精度预测可能对研究人员如何进行实验、如何分析数据产生影响。毕竟，如果可以通过预测获得准确的蛋白质结构，那么使用如冷冻电镜（cryo-EM）等实验方法时，是否还需要将分辨率做得那么高就成为了一个问题。低分辨率的电子密度图，甚至结合预测结果，可能已经足够应对许多问题了。 然而，AlphaFold2 的创新性之高，包括它所使用的 2D transformer 和 3D equivariant transformer 技术，使得它的复现在学术界具有难度，需要一定的时间。在短期内，AlphaFold2 对结构生物学的实际冲击可能会比较有限。 至于 AlphaFold2 未来如何改变结构生物学，这还需要看它在处理更为复杂的问题方面的表现，例如复杂的蛋白质-蛋白质相互作用，以及在不同生理条件和过程中的结构变化。在研究特定功能的、多个成分组成的、生物大分子复合体的结构解析，以及体内的结构分析等问题上，还需要结构生物学实验研究的深入。因此，AlphaFold2 是一个重要的工作，但结构生物学的未来还有更广阔的研究领域等待人们去开发和探索。 本研究就提供了一个很好的例子，AlphaFold2 的出现会助力结构生物学的发展，让结构生物学家在进行研究时多一个工具，甚至开发新的研究方法。 AlphaFold2与冷冻电镜强强联手 这项研究结合了两种强大的科学工具：冷冻电子断层扫描电镜（cryo-ET）与AlphaFold2，创造了一种全新的研究方法，被称之为视觉蛋白质组学。 在此方法中，冷冻电子断层扫描电镜（cryo-ET）被用于获取细胞内部的三维电子密度图。在非常低的温度下，细胞样品被冷冻并被切成薄片，然后在不同角度下进行成像。这些图像可以被组合在一起，生成一个三维的图，它揭示了细胞内部的结构和位置信息。 然后，AlphaFold2被用于预测蛋白质的三维结构。这种预测的精度非常高，已经接近实验级的结构决定。一旦获得了预测的结构，它可以被放置在电子密度图中的正确位置。 这样，我们就能够在没有标记、没有破坏细胞，以及没有纯化的情况下，直接在细胞的天然环境中精确地定位蛋白质。这种方法为我们提供了了解细胞内蛋白质行为的全新视角，尤其是在它们的天然环境中的行为。这无疑可以增强我们对生物过程的理解，持续推动结构生物学的发展。 为什么自然受精过程中需要精子鞭毛的运动？ 自然受精过程中，精子需要通过鞭毛的有节奏运动来推动自身向卵子移动。这种协调和重复的鞭毛运动是由大分子机制产生的周期性力和承受机械应力的结果。 精子鞭毛与其他运动纤毛有何不同？ 精子鞭毛与其他运动纤毛在形态、功能和遗传学方面都存在显著差异。哺乳动物的精子鞭毛比其他运动纤毛更长更宽，能够承受更大的弯曲力矩。精子鞭毛在繁殖和物种形成中发挥着至关重要的作用。 Cell杂志上的研究发现了什么？ 这项研究使用了先前我们提到的结合了冷冻电子断层扫描电镜（cryo-ET）和AlphaFold2的视觉蛋白质组学方法，探究了精子中的微管腔内结合蛋白（Microtubule Inner Proteins，简称MIPs）。在这项研究中，他们发现了三种新的 MIPs - Tektin 5、CCDC105 和 SPACA9。 在对 Tektin 5 的进一步研究中，研究团队发现 Tektin 5 在精子的运动能力中扮演着重要的角色。他们观察到，缺乏 Tektin 5 的精子运动能力明显下降，这表明 Tektin 5 对维持精子的正常运动至关重要。此外，他们还发现，在 Tektin 5 缺失的精子中，有更高比例的精子鞭毛出现 180° 的弯曲畸形。这些发现进一步强调了 Tektin 5 在精子成熟和功能中的重要性。 这项研究的发现丰富了我们对于微管腔内结构和精子运动机制的理解，并为未来治疗男性生育问题提供了新的研究方向。该研究也再次证明了新的视觉蛋白质组学方法在生物学研究中的巨大潜力。 研究团队如何确定蛋白质的具体结构和功能？ 研究团队通过原位冷冻电子断层扫描电镜和亚断层扫描技术，在小鼠和人类精子中成功重建了轴丝微管结构，并获得了高分辨率的蛋白质三级结构。这使得研究团队能够将精子特异性与AlphaFold2预测的蛋白质结构模型进行匹配，并发现了一些新的微管相关蛋白。此外，他们还通过基因编辑技术构建了Tektin 5基因敲除小鼠，进一步验证了该蛋白质的作用。 总的来说，这项研究为我们深入了解精子运动过程以及与之相关的蛋白质提供了重要的线索和信息。通过结合不同的高分辨率显微镜技术和蛋白质结构预测模型，研究团队揭示了精子鞭毛中一些新的关键蛋白质，并深入探讨了它们的功能和作用机制。 原文链接：点击底部左下角“ |
|
|
