哺乳動物透明帶的物種特異性由輸卵管蛋白決定

核心概念

卵母細胞的透明帶需要與一種稱為輸卵管醣蛋白 1 (OVGP1) 的輸卵管蛋白相互作用，以確保只有來自同一物種的精子才能使卵子受精。

摘要

書目資訊

標題：輸卵管蛋白決定哺乳動物透明帶的物種特異性
期刊：科學進展
年份：2023 年
作者：Pablo Bermejo-Álvarez 等人

研究目標

本研究旨在探討哺乳動物卵母細胞透明帶 (ZP) 的物種特異性是否由輸卵管液及其主要分泌成分 OVGP1 決定。

方法

研究人員使用來自不同哺乳動物目（食肉目、靈長目和齧齒目）的精子，檢測其是否能穿透牛卵母細胞。他們還檢查了牛輸卵管液以及來自牛、小鼠或人類的物種特異性 OVGP1 在調節牛和小鼠卵母細胞物種特異性方面的作用。此外，他們還進行了糖基化和顯微結構分析，以研究 OVGP1 如何影響 ZP 的結構和功能。

主要發現

• 來自所有物種的精子都能穿透完整的牛卵巢卵母細胞，形成雜交胚胎。
• 與輸卵管液或牛、小鼠或人類 OVGP1 接觸後，ZP 賦予了物種特異性，無論 ZP 的來源如何，都只允許相應的精子穿透。
• OVGP1 覆蓋 ZP 中存在的孔隙，而 OVGP1 的糖基化決定了精子的特異性。

主要結論

本研究的結果表明，卵母細胞 ZP 必須與輸卵管液的成分（特別是 OVGP1 蛋白）相互作用，以確保只有來自同一物種的精子才能使卵子受精。OVGP1 的修飾對於定義不同哺乳動物物種之間的屏障至關重要。

意義

這項研究為我們理解生殖生物學做出了貢獻，並闡明了驅動跨物種受精的分子機制。它還表明，使用卵巢卵母細胞或其 ZP 進行異種體外受精可能是評估哺乳動物物種精子獲能和生育能力的極好方法。

局限性和未來研究

未來的研究應探討 OVGP1 糖基化模式的具體細節，以及它們如何與精子表面受體相互作用以介導物種特異性受精。此外，還需要進一步的研究來確定這些發現是否可以轉化為人類和其他哺乳動物物種的生育治療。

統計資料

在沒有接觸輸卵管液的情況下，來自人類、小鼠和貓的精子能夠穿透牛卵母細胞，成功率分別為 17%、11% 和 8%。
牛輸卵管液的存在使牛卵母細胞對異種精子產生抗性，使人類精子的穿透率從 17% 降至 3%。
在暴露於牛 OVGP1 後，只有牛精子能夠穿透牛 ZP，而人類和小鼠精子則無法穿透。
使用神經氨酸酶處理牛和鼠 ZP 會完全阻斷精子穿透，無論 ZP 是否與 OVGP1 接觸。

引述

“卵母細胞透明帶需要與一種稱為輸卵管醣蛋白 1 (OVGP1) 的輸卵管蛋白相互作用，以確保只有來自同一物種的精子才能使卵子受精。”
“我們的研究結果表明，卵母細胞 ZP 必須與輸卵管液的成分（特別是 OVGP1 蛋白）相互作用，以確保只有來自同一物種的精子才能使卵子受精。”
“OVGP1 的修飾對於定義不同哺乳動物物種之間的屏障至關重要。”

從以下內容提煉的關鍵洞見

Oviductin sets the species-specificity of the mammalian zona pellucida

by de la Fuente... 於 www.biorxiv.org 07-03-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.07.01.601502v1

深入探究

OVGP1 在體內受精過程中的確切作用機制是什麼？是否存在其他因素或分子參與這一過程？

OVGP1 在體內受精過程中的確切作用機制非常複雜，目前的研究結果僅揭示了其部分作用。根據文章內容，OVGP1 的作用機制可以概括為以下幾點：

賦予透明帶物種特異性： OVGP1 與卵母細胞透明帶 (ZP) 結合後，會改變 ZP 的表面結構和醣基化程度，使其僅能與同種精子的特定受體結合，從而阻止異種精子穿透。
參與精子與透明帶的結合： OVGP1 本身可能也攜帶有與精子結合的受體，參與精子與透明帶的識別和結合過程。實驗中發現，與 OVGP1 同源的精子更容易結合到 ZP 上，即使 ZP 本身並非來自同種動物。
影響透明帶的物理特性： OVGP1 與透明帶結合後，可能會影響 ZP 的硬度、孔徑大小等物理特性，進而影響精子的穿透能力。

除了 OVGP1 之外，體內受精過程還受到許多其他因素和分子的影響，例如：

透明帶醣蛋白 (ZP1, ZP2, ZP3)： 這些醣蛋白是構成透明帶的主要成分，它們的醣基化修飾對於精子識別和結合至關重要。
精子表面蛋白： 精子表面存在著多種與透明帶結合的蛋白質，例如 SED1、ZPBP 等，這些蛋白質與透明帶醣蛋白的特定醣基結構相互作用，介導精卵識別。
輸卵管分泌物： 輸卵管分泌物中除了 OVGP1 之外，還包含其他多種蛋白質和酶類，例如：

肝素樣醣胺聚醣 (GAGs)： 與 OVGP1 協同作用，增強透明帶的抵抗力，防止多精受精。
其他醣蛋白和蛋白酶： 可能參與精子獲能、頂體反應以及精卵結合等過程。
總之，OVGP1 只是體內受精過程中眾多參與者之一，其確切作用機制尚待進一步研究。未來需要更深入地探討 OVGP1 與其他分子之間的相互作用，以及其在不同物種中的差異，才能更全面地理解體內受精的分子機制。

如果 OVGP1 的物種特異性如此重要，那麼在進化過程中，不同物種之間的 OVGP1 基因是如何分化的？

OVGP1 基因在不同物種之間的分化，是物種形成和生殖隔離的重要驅動力之一。以下是幾種可能的進化機制：

正向選擇 (Positive selection)： 當一個物種面臨新的環境壓力或生殖競爭時，有利於生殖隔離的基因突變，例如改變 OVGP1 序列導致僅能與同種精子結合的突變，會受到正向選擇，並迅速在群體中擴散。
基因重複 (Gene duplication)： OVGP1 基因可能在進化過程中發生了重複，產生了多個拷貝。這些拷貝在功能上可能出現分化，其中一個拷貝保留了原始的功能，而另一個拷貝則在突變積累後獲得了新的功能，例如與特定物種的精子結合。
協同進化 (Co-evolution)： OVGP1 與精子表面受體之間存在著密切的協同進化關係。當 OVGP1 基因發生突變時，會對精子表面受體產生選擇壓力，促使其也發生相應的突變，以維持精卵識別的專一性。這種相互選擇的過程，最終導致了 OVGP1 和精子表面受體在不同物種中的分化。

此外，以下因素也可能促進了 OVGP1 基因的分化：

地理隔離： 不同地理位置的種群，由於基因交流受阻，OVGP1 基因更容易積累不同的突變，最終導致生殖隔離。
性選擇： 雌性可能會偏好與攜帶特定 OVGP1 基因型的雄性交配，從而促進該基因型在群體中的擴散，並導致與其他群體的生殖隔離。
總之，OVGP1 基因在不同物種之間的分化是一個複雜的過程，受到多種進化因素的影響。深入研究 OVGP1 基因的進化歷史，對於理解物種形成和生殖隔離的機制具有重要意義。

這項研究的發現對於開發新的避孕方法或治療不孕症有何潛在意義？

這項關於 OVGP1 物種特異性的研究，為開發新的避孕方法和治療不孕症提供了新的思路和潛在靶點：
避孕方面：

開發針對 OVGP1 的避孕藥物或疫苗： 可以研發特異性抑制 OVGP1 與透明帶結合的藥物，或者研發針對 OVGP1 的疫苗，誘導機體產生抗體，阻止 OVGP1 发挥作用，從而達到避孕的效果。
設計新型宮內節育器 (IUD)： 可以設計釋放 OVGP1 抑制劑的 IUD，局部阻斷 OVGP1 的功能，達到長期避孕的目的。
不孕症治療方面：

診斷不明原因不孕症： 可以檢測夫妻雙方 OVGP1 和精子表面受體的基因型和功能，判斷是否存在 OVGP1 相關的不孕因素。
輔助生殖技術： 在體外受精 (IVF) 過程中，可以根據夫妻雙方的 OVGP1 基因型，選擇與其相容性更高的精子進行受精，提高受孕率。
開發治療 OVGP1 缺陷的藥物： 針對 OVGP1 基因缺陷導致的不孕症，可以研發藥物促進 OVGP1 的表達或增強其功能，提高受孕的可能性。
然而，需要強調的是，目前的研究僅僅揭示了 OVGP1 在受精過程中的部分作用，距離將其應用於臨床實踐還有很長的路要走。未來需要進行更多深入的研究，例如：

驗證 OVGP1 在人體受精過程中的作用： 目前的研究主要是在動物模型中進行的，需要進一步驗證 OVGP1 在人體受精過程中的作用機制和重要性。
評估 OVGP1 靶向治療的安全性： 在開發針對 OVGP1 的藥物或疫苗時，需要充分評估其潛在的副作用和安全性。
探索 OVGP1 與其他受精相關因子的相互作用： 開發有效的避孕方法或治療不孕症，需要綜合考慮 OVGP1 與其他受精相關因子的相互作用，制定個體化的治療方案。
總之，這項研究為我們理解受精的分子機制提供了新的視角，也為開發新的避孕方法和治療不孕症帶來了新的希望。相信隨著研究的深入，我們將能夠更好地利用這些發現，為人類的生殖健康做出更大的貢獻。