在有性生殖过程中，帮助精子和卵子融合的蛋白质也能将正常细胞融合在一起。来自以色列理工学院、阿根廷、乌拉圭和美国的一个生物医学研究小组的发现表明，这种蛋白是一个更大蛋白质家族的一部分，这些蛋白质帮助其他细胞结合在一起，形成更大的器官，同时也允许寨卡病毒和登革热病毒侵入健康的细胞。对于每一个有性繁殖的有机体来说，精子和卵子的融合是新个体产生的第一步。这一过程已经在包括人类、老鼠、昆虫、植物、海胆甚至真菌在内的许多生物体内进行了100多年的研究。但介导精子与卵子融合的分子机制的身份仍不清楚。由生物技术学院的Benjamin Podbilewicz博士和阿根廷圣马丁国立大学的Pablo S.Aguilar博士领导的研究小组已经证明，HAP 2蛋白-精子-卵子融合中的一个众所周知角色是一种介导广泛的细胞（细胞融合的蛋白质）。
博科园-科学科普：HAP2存在于植物、原生生物(如藻类、原生动物和黏菌)和无脊椎动物中，因此被认为是存在于第一个真核细胞起源时的原始蛋白质。然而仔细观察HAP2，研究人员得出结论：HAP2的根更古老。对HAP2蛋白的结构和系统发育分析表明，它们与病毒(如寨卡病毒和登革热病毒)所使用蛋白质是同源的，这些病毒用于将病毒膜与入侵细胞的细胞膜融合。这意味着HAP2、FF和病毒融合蛋白组成了一个膜融合蛋白的超家族，作者将其命名为Fusexins(细胞质膜的有性繁殖和外质融合所必需的融合蛋白)。熔融酶是一种非常吸引人的机器，它能保持结构核心的多样性，在不同的环境下进行细胞膜的融合。了解梭菌素不同的结构，功能关系将使科学家能够在受精和组织发育过程中合理操纵细胞-细胞融合。补充和非常及时的好处是，它让我们更好地了解寨卡病毒和其他病毒如何在目标宿主中导致疾病。
寨卡病毒的透射电镜(TEM)。图片：Cynthia Goldsmith/Centers for Disease Control and Prevention
在非常不同的背景下，促进膜融合的蛋白质之间惊人的相似使得研究人员深入研究了机制的细节。在进行细胞-细胞融合实验时，研究人员证实，与FF丝蛋白一样，在两种融合细胞中都需要HAP2来促进膜细胞融合。HAP2和FF fusexins的这种双向需求不同于病毒的作用机制，其中fusexin只存在于病毒膜中(见图)。结构、序列和功能的组合保存意味着这些蛋白质是从一个共同的祖先分化出来。丝蛋白可能在20 - 30亿年前就出现了，以促进细胞间原始形式的遗传物质交换。后来，包膜病毒利用这些融合蛋白更有效地感染细胞。最后，多细胞生物通过细胞-细胞融合，使梭壳素适应于塑造脊椎动物、皮肤和蠕虫体内的肌肉和骨修复破骨细胞等器官。精子细胞与卵细胞的融合是导致有性繁殖新个体的第一步，尽管这一过程可能是最基本的，但科学家们现在才开始理解其工作原理的复杂性。
在《公共科学图书馆·生物学》上发表的一篇论文中，研究人员描述了在两种不同物种(开花植物和原生动物)中实现精卵融合的蛋白质的详细结构。研究人员希望，揭示这些物种及其近亲的进化过程，可能会让科学家在跨性别物种(包括人类和其他脊椎动物)的研究中更进一步。布朗大学(Brown University)生物学副教授、研究报告的合著者马克·约翰逊(Mark Johnson)说：很惊讶，我们仍然不知道人类精子是如何与人类卵子融合。希望这篇论文能做的一件事是为使配子融合在这些物种中的蛋白质建立一个结构特征，这样就能在那些蛋白质机制尚不清楚的物种中寻找到它。约翰逊多年来一直致力于研究配子(精子和卵子)融合。在21世纪初在有花植物拟南芥的精子膜上发现了一种蛋白质，这种蛋白质似乎对拟南芥的配子融合过程有一定影响。研究表明，产生这种名为HAP2的蛋白质的基因突变导致精子无法与拟南芥的卵子融合。
几年后，与约翰逊合作的布朗大学研究生克里斯汀·比尔(Kristin Beale)预测，HAP2与病毒进入宿主细胞的蛋白质有关。这是有道理的，因为精子和病毒都需要有一种将自己插入细胞膜的机制。从最初的发现开始，约翰逊和其他研究人员就开始研究其他生物的基因组，寻找与拟南芥类似的基因序列。在各种各样的真核生物(细胞具有离散的细胞核的生物)中发现了类似的序列——许多植物、藻类、昆虫和一些动物。然而在脊椎动物中，包括人类，它明显不存在。脊椎动物确实有一种类似半抗原半抗原的蛋白质，这是有可能的，但它的基因序列可能在进化史上发生了如此大的变化，以至于研究人员很难仅凭序列就能发现。因此与其去寻找产生这种蛋白质的基因，不如去观察蛋白质本身的结构——去寻找结构上与已经鉴定出来的HAP2蛋白质相似的脊椎动物蛋白。
研究人员揭示了开花植物和原生动物的蛋白质结构，这些蛋白质使精子细胞与卵子融合，形成一个新的个体。研究小组希望，这些结构信息可能有助于理解人类的配子融合，而这仍然是一个谜。图片：Fedry et. al.
但这需要详细解析已知的HAP2蛋白的结构，这正是Johnson和同事们在这项最新研究中所要做的。约翰逊的实验室与巴黎巴斯德研究所费利克斯·雷伊的实验室合作，研究生朱丽叶·费德利在那里分析了来自两个远亲真核生物的HAP2蛋白的结构：拟南芥和原生动物寄生虫锥虫。为了解决这些结构问题，巴黎的研究小组使用了一种叫做x射线结晶学的技术，这种技术包括将蛋白质结晶，然后观察晶体如何散射x射线。从散射模式可以观察到蛋白质的结构。Rey的实验室专门研究这项技术，特别是对与HAP2相关的病毒融合蛋白成像。利用这一新的结构数据来确定HAP2是如何驱动开花植物的受精，定义了插入卵膜的蛋白质顶端的氨基酸。研究发现，尽管这两个物种HAP2蛋白的基本结构大体相似，但它们在关键区域的进化却有所不同。
具体来说，蛋白质的尖端（被认为是首先穿透卵细胞细胞膜的部分）是完全不同的。当流动的植物HAP2在顶端采用单一螺旋结构时，原生动物版本有三个小的环钩入靶膜。虽然这两种蛋白质插入机制的差异为HAP2工作机制提供了新的线索，但这两种蛋白质的相似之处对于在其他生物中寻找HAP2非常重要。在这一点上有两种生物：一种是我们知道配子融合如何起作用的生物，另一种是我们不知道配子融合如何起作用的生物，没有一种生物具有可识别的HAP2。现在我们知道了这两种蛋白质在序列水平上的不同在结构上保守了什么，可以考虑寻找这些结构在其他物种中寻找相关的蛋白质。这包括人类，我们只需要得到更多的人类蛋白质结构，这样就可以寻找共同的结构特征。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《PLoS Biology》《Journal of Cell Biology》｜研究/来自：以色列理工学院，布朗大学，DOI: 10.1083/jcb.201610093
博科园-传递宇宙科学之美
