清華新聞網(wǎng)4月1日電 糖和脂類與蛋白、核酸一樣都是構(gòu)成生物結(jié)構(gòu)、完成生理功能必不可缺的大分子，但是與后兩者相比，糖與脂類的結(jié)構(gòu)難以解析，屬于細(xì)胞中的暗物質(zhì)（Dark matter），糖生物學(xué)（Glycobiology）是生命科學(xué)界公認(rèn)的高難領(lǐng)域。糖對(duì)于生命至關(guān)重要：以葡萄糖為代表的糖類分子是細(xì)胞代謝主要的能量來源之一，植物中的細(xì)胞壁由纖維素構(gòu)成，糖基化也是重要的翻譯后修飾（Posttranslational modifications, PTM）形式之一，可顯著擴(kuò)展蛋白質(zhì)的功能多樣性。糖基化蛋白參與多種生命過程，如信號(hào)傳導(dǎo)、免疫反應(yīng)和細(xì)胞分化等。但聚糖分子內(nèi)在的立體化學(xué)復(fù)雜性阻礙了對(duì)其系統(tǒng)性的研究，含糖結(jié)構(gòu)信息的缺乏嚴(yán)重限制了人類對(duì)這類重要生物分子類群功能的理解。
3月28日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院顏寧、閆創(chuàng)業(yè)、潘俊敏課題組合作在《細(xì)胞》（Cell）雜志在線發(fā)表了題為“結(jié)構(gòu)引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)天然纖絨毛中的蛋白質(zhì)和聚糖組分”（Structure-guided discovery of protein and glycan components in nativemastigonemes）的研究論文，報(bào)道了從萊茵衣藻纖毛中分離的天然纖絨毛（Mastigoneme）3.0?分辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。纖絨毛是從纖毛膜向外延伸的一種纖細(xì)結(jié)構(gòu)。通過研究發(fā)現(xiàn)，纖絨毛主體形成超螺旋纖維結(jié)構(gòu)，每個(gè)完整螺旋由四對(duì)反平行的纖絨毛樣蛋白1（Mastigoneme-like protein 1,Mst1）組成。在Mst1中，其含有II型多聚羥脯氨酸（Hyp）螺旋結(jié)構(gòu)（PPII），該二級(jí)結(jié)構(gòu)被大量阿拉伯聚糖包被。意外的是，結(jié)合冷凍電鏡密度、生信分析和蛋白質(zhì)質(zhì)譜，研究者發(fā)現(xiàn)并鑒定出Mastigoneme前所未知的核心組分，并為之命名“纖絨毛軸心蛋白（Mastigoneme-specific axial protein, Mstax）”（圖1）。
圖1.復(fù)雜糖基化修飾介導(dǎo)萊茵衣藻纖毛重要蛋白質(zhì)復(fù)合物組裝的分子機(jī)制
Mstax包括近8000個(gè)氨基酸殘基，具有34個(gè)Mstax特異性的多聚Hyp重復(fù)序列片段。該重復(fù)序列富含大量復(fù)雜糖基化修飾，并且每個(gè)重復(fù)序列片段可以招募4個(gè)Mst1分子。Mstax重復(fù)序列區(qū)域從纖毛膜區(qū)域延伸到纖絨毛的遠(yuǎn)端，成為整個(gè)Mastigoneme組裝的骨架。此外，Mstax還具有陽離子通道PKD2樣跨膜結(jié)構(gòu)域，可與PKD2在纖毛膜上形成1：3的離子通道，從而解釋了纖絨毛潛在的機(jī)械力感知模式。該研究為理解天然生物架構(gòu)（Bio-architectures）中蛋白質(zhì)和糖類分子形成復(fù)合物的相互作用模式提供了理論基礎(chǔ)。
研究團(tuán)隊(duì)綜合利用生物物理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生物信息學(xué)等學(xué)科方法對(duì)聚糖分子參與構(gòu)建生物大分子架構(gòu)的分子原理進(jìn)行了闡釋。已知植物和藻類具有獨(dú)特的Hyp O-糖基化形式，其中的聚糖模塊主要由阿拉伯糖和少量半乳糖組成。這種依賴Hyp O-糖基化的形式是植物和藻類行使正常生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。此前并沒有相關(guān)聚糖介導(dǎo)生物大分子架構(gòu)組裝的結(jié)構(gòu)信息，該研究清楚地觀測(cè)到超過1000個(gè)糖分子的密度（圖2），是目前含有糖分子最多的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。通過多糖和蛋白的互作分析，研究揭示了阿拉伯聚糖在生物結(jié)構(gòu)高級(jí)組裝中的關(guān)鍵作用，從而為理解結(jié)構(gòu)性聚糖分子在生命過程中的角色提供了重要線索，展現(xiàn)了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)生物學(xué)從結(jié)構(gòu)確證工具到源頭創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)手段的角色轉(zhuǎn)變。
圖2.Mastigoneme中聚糖分子的代表性電鏡密度
清華大學(xué)講席教授、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心研究員、深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院創(chuàng)始院長(zhǎng)顏寧，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心研究員閆創(chuàng)業(yè)，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授潘俊敏為論文的共同通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2022級(jí)直博生黃雋豪、2018級(jí)直博生陶慧和2022級(jí)直博生陳繼坤為論文共同第一作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2020級(jí)本科生沈揚(yáng)參與研究。清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)主管雷建林教授為電鏡數(shù)據(jù)收集提供了幫助。實(shí)驗(yàn)的質(zhì)譜鑒定工作得到了蛋白質(zhì)化學(xué)與組學(xué)平臺(tái)的支持，實(shí)驗(yàn)的計(jì)算工作得到清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)、國(guó)家蛋白質(zhì)設(shè)施實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心（北京）的支持。研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃、面上項(xiàng)目、專項(xiàng)項(xiàng)目，膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市科技新星計(jì)劃，北京高校卓越青年科學(xué)家計(jì)劃項(xiàng)目，北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心與清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S009286742400240X
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
