정자는 어떻게 난자에 달라붙을까…AI가 밝혔다

단백질 구조 예측 프로그램 ‘알파폴드’가 정자와 난자의 결합 방식을 예측하는 데 성공했다. EzumeImages/게티이미지뱅크 제공.

2024년 노벨 화학상을 안겨준 인공지능(AI) 단백질 구조 예측 프로그램 ‘알파폴드’가 정자와 난자가 결합하는 순간 어떤 일이 일어나는지 예측했다. 과학자들이 예측 결과를 동물에 적용한 결과, 예측이 실재임을 확인했다. 

빅토리아 E. 데네케 오스트리아 비엔나 바이오센터 연구원팀은 정자와 난자가 어떻게 융합하는지 확인한 논문을 17일 국제학술지 ‘셀 투데이’에 발표했다. 앞선 4월에는 아르네 엘롭슨 스웨덴 스톡홀름대 생화학과 교수팀이 비슷한 내용의 논문을 ‘e라이프’에 게재했다. 두 팀 모두 AI 기술을 이용해 정자와 난자의 상호작용을 살폈다. 

두 팀의 연구는 제브라피쉬, 쥐, 인간 단백질 대상으로 진행됐고 정자가 난자에 달라붙기 위해 여러 단백질의 상호작용이 필요하다는 점을 발견했다. 정자의 머리에 위치한 3개의 단백질이 난자 세포 표면에 고정된다는 점을 확인했다.  

사람의 정자와 난자를 수정하는 실험은 비윤리적일 수 있다는 점에서 AI를 이용한 ‘계산 모델링’은 생물학 분야의 매우 중요한 연구 대안이 될 수 있다.

과학자들은 앞서 척추동물의 수정에 관여하는 여러 단백질들을 발견했다. 2005년에는 수컷 쥐의 특정 유전자를 삭제하면 정자가 난자에 융합하지 못한다는 점이 발견됐다. 해당 유전자에는 ‘이즈모1’라는 이름이 붙었다. 10년이 지난 뒤 난자 세포에서 이즈모1에 결합하는 단백질 수용체가 발견됐다. 이 수용체의 이름 ‘주노’다. 2020년에는 'SPACA6'이라는 유전자를 탈락시킨 쥐가 이즈모1이 결핍된 쥐와 동일한 결함을 갖게 된다는 점이 확인됐다. 

이번 두 연구팀은 각각 독립적으로 알파폴드를 이용해 이즈모1, SPACA6, 그리고 또 다른 단백질인 TMEM81 등 3개의 단백질이 복합체를 이루거나 삼량체를 형성한다는 점을 예측했다. 이 단백질 복합물질은 난자 세포에서 주노와 CD9라는 단백질과 더 큰 복합체를 형성할 수 있다는 점도 예측했다. 

연구팀은 AI가 식별한 복합체가 실제로 존재하는지 확인하기 위해 제브라피쉬와 쥐에서 TMEM81을 삭제하는 등의 실험을 진행했다. 이를 통해 특정 단백질의 삭제는 정자 결함으로 이어진다는 사실을 실질적으로 확인했다. 또 제브라피쉬 정자 샘플에서 이즈모1, SPACA6, TMEM81이 복합체를 형성한다는 점 또한 발견했다. 

연구팀은 “수정에 관여하는 단백질에 대한 연구는 향후 불임 환자의 치료법을 찾거나 반대로 피임 연구에 도움이 될 수 있다는 점에서 의미가 있다”며 “AI가 이 과정에서 새로운 조명을 해나갈 것”이라고 말했다.  

<참고 자료>
doi.org/10.1016/j.cell.2024.09.035
doi.org/10.7554/eLife.93131.3

[문세영 기자 moon09@donga.com]