颜宁/闫创业/潘俊敏团队合作首次揭示多聚糖介导生物复杂构造组装的分子机制

蛋白、核酸、糖、脂类四大类生物分子中，后两类属于“暗物质”：结构不容易看到，研究难度其实比前两类更大。所以我才开始呼吁大家考虑研究生物里的“暗物质”（对不住物理学家，又滥用你们的名词了）。这算是Yan Lab探索暗物质的第一步（Yan：颜 or 闫），欢迎更多研究者加入我们！

——颜宁

图1. 糖生物学是有待进一步探索的重要方向

糖生物学是生命科学界公认的未被研究清楚的“暗物质”（Dark matter）领域。糖，对于生命至关重要：以葡萄糖为代表的糖类分子是细胞代谢的一种主要能量来源，植物中的细胞壁由纤维素构成，糖基化也是重要的翻译后修饰(Posttranslational modifications, 简称PTM) 形式之一，可显著扩展蛋白质的功能多样性。糖基化蛋白参与多种生命过程，如信号传导、免疫反应和细胞分化。

但糖分子内在的立体化学复杂性阻碍了人们对它进行系统性研究。这源于单个糖环是建立在sp³杂化碳原子的基本骨架上——与采用sp²杂化形式的多肽/蛋白质相比，它们具有更高的立体化学自由度。此外，当糖分子成环时，它们可以采用多种构型，并涉及多种键连模式，从而形成多种多样、差异极大的结构。这些因素综合起来，给人们分析含糖生物结构带来了很大的挑战；而缺乏结构信息，又大大限制了人们去理解糖分子类群的功能。

2024年3月28日，颜宁/闫创业/潘俊敏课题组合作在《细胞》(Cell) 杂志在线发表了题为“结构引导发现天然纤绒毛中的蛋白质和聚糖组分”(Structure-guided discovery of protein and glycan components in native mastigonemes) 的研究论文，揭开了从莱茵衣藻纤毛中分离的天然纤绒毛 (Mastigoneme) 3.0Å分辨率的冷冻电镜结构。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.02.037

纤绒毛是从纤毛膜向外延伸的一种纤细结构。研究发现，纤绒毛主体形成超级螺旋排布，每个旋转螺旋由四对反平行的纤绒毛样蛋白1 (Mastigoneme-like protein 1，简称为Mst1) 组成。Mst1含有II型多聚羟基脯氨酸 (Hyp) 螺旋二级结构 (PPII)，该二级结构被大量阿拉伯糖聚糖包被。

意外的是，结合冷冻电镜密度、蛋白质质谱和生信分析，研究者发现并鉴定出纤绒毛前所未知的核心组分，并将之命名为“纤绒毛轴心蛋白” (Mastigoneme-specific axial protein, 简称Mstax)。（见图2）

图2. 复杂糖基化修饰介导莱茵衣藻纤毛重要蛋白质复合物组装的分子机制

Mstax包括近8,000个氨基酸残基，具有34个Mstax特异性的多聚Hyp重复序列片段。这些重复序列富含大量复杂糖基化修饰，并且每个重复序列片段可以招募4个Mst1分子。Mstax重复序列区域从纤毛膜区域延伸到纤绒毛的远端，成为组装整个纤绒毛的骨架（图2）。此外，Mstax还具有阳离子通道PKD2样跨膜结构域，可与PKD2在纤毛膜上形成1:3的离子通道，从而解释了纤绒毛潜在的机械力感知模式。这为我们理解天然生物架构 (Bio-architectures) 中蛋白质和糖类分子形成复合物的相互作用模式提供了理论基础。

这项研究综合利用了生物物理学、细胞生物学和生物信息学等学科方法，阐释了聚糖分子参与构建生物大分子架构的分子原理。我们知道，植物和藻类具有独特的Hyp O-糖基化形式，其中的聚糖模块主要由阿拉伯糖和少量半乳糖组成，这种依赖Hyp O-糖基化的形式是植物和藻类行使正常生命活动的基础，但是，此前并没有相关聚糖介导生物大分子架构组装的结构信息。本研究清楚地观测到超过1,000个糖分子的密度（图3），是目前含有糖分子最多的复合物结构。通过多糖和蛋白的互作分析，本研究揭示了阿拉伯聚糖在生物结构高级组装中的关键作用，从而为理解结构性聚糖分子在生命过程中的角色提供了重要线索，展现了现代结构生物学从结构确证工具到源头创新发现手段的角色转变。

图3. 纤绒毛中聚糖分子的代表性电镜密度

清华大学讲席教授、北京生物结构前沿研究中心研究员、深圳医学科学院创始院长颜宁，清华大学生命科学学院副教授、北京生物结构前沿研究中心研究员闫创业，清华大学生命科学学院教授潘俊敏为本文的共同通讯作者。清华大学生命科学学院2022级博士生黄隽豪、2018级博士生陶慧和2022级博士生陈继坤为本文共同第一作者。

清华大学生命科学学院2020级本科生沈扬参与了本研究。清华大学冷冻电镜平台主管雷建林教授为冷冻电镜数据收集提供了帮助。实验的电镜数据采集得到清华大学冷冻电镜平台的支持，实验的质谱鉴定工作得到了蛋白质化学与组学平台的支持，实验的计算工作得到清华大学高性能计算平台、国家蛋白质设施实验技术中心（北京）的支持。

本研究得到了科技部重点研发计划，国家自然科学基金重大研究计划、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金专项项目、膜生物学国家重点实验室、北京市科技新星计划、北京高校卓越青年科学家计划项目、北京生物结构前沿研究中心与清华-北大生命科学联合中心的经费支持。

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