何以為“糖”？北京時(shí)間2024年12月16日，顏寧團(tuán)隊(duì)在預(yù)印本網(wǎng)站BioRxiv公布最新成果The 8-nm spaghetti: well-structured glycans coating linear tetrapeptide repeats discovered from freshwater with CryoSeek（《8納米意大利面條：利用酷尋在淡水中發(fā)現(xiàn)的包圍著四肽重復(fù)序列蛋白絲的規(guī)則糖質(zhì)結(jié)構(gòu)》）。事實(shí)上，這篇研究論文是研究團(tuán)隊(duì)即將發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）的一篇相關(guān)論文的姐妹篇。

　　此前，顏寧團(tuán)隊(duì)報(bào)道了萊茵衣藻纖絨毛 (mastigoneme) 復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合物中有大量與羥脯氨酸相連的阿拉伯聚糖，后者在整個(gè)復(fù)合物的組裝中發(fā)揮重要作用。該研究首次揭示了聚糖的高級(jí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)提示選擇合適的生物體系能夠?qū)μ琴|(zhì)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究取得意想不到的突破。

　　與該工作同期開(kāi)展的，還有一項(xiàng)被顏寧團(tuán)隊(duì)稱為“荷糖月色”計(jì)劃的研究——通過(guò)“CryoSeek（酷尋）”這一研究策略，將冷凍電鏡作為一種觀察工具，用于發(fā)現(xiàn)完全未知的生物大分子。結(jié)合冷凍電鏡分析、AI輔助的自動(dòng)建模以及生物信息學(xué)分析，顏寧團(tuán)隊(duì)在今年10月份報(bào)道了來(lái)自清華大學(xué)荷塘中一種新型的纖維蛋白的結(jié)構(gòu)和潛在功能。然而，團(tuán)隊(duì)特意用了“荷糖月色”作為新聞標(biāo)題，這并不是別字，而是有意為之，因?yàn)榕c此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還有更加有趣的發(fā)現(xiàn)，正在進(jìn)行下一步的驗(yàn)證。    

　　不同于之前可以利用AI自動(dòng)搭建出模型的、以蛋白質(zhì)為主的兩個(gè)疑似未知菌毛的結(jié)構(gòu)，在這兩個(gè)后續(xù)研究中，AI-助力的若干軟件都無(wú)法自動(dòng)搭建出蛋白結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)人工手動(dòng)嘗試，才發(fā)現(xiàn)原來(lái)是一種高度糖基化的蛋白纖維 。  

　　通過(guò)經(jīng)驗(yàn)豐富的科研人員對(duì)電子密度圖進(jìn)行分析，揭示出這一直徑約為8 nm的纖維的中心是一條細(xì)長(zhǎng)的線性多肽，也是整個(gè)纖維中唯一屬于蛋白的部分。這一部分由簡(jiǎn)單的四肽重復(fù)序列組成。神奇的是，每個(gè)四肽重復(fù)片段包含一個(gè)保守的3,4-二羥脯氨酸 (3,4-dihydroxyproline, DiHyp) ，其3-OH與4-OH均高度O-糖基化。與DiHyp相鄰的位置，還存在一個(gè)O-糖基化的絲氨酸或者蘇氨酸。

　　在三維重構(gòu)的區(qū)段中，纖維結(jié)構(gòu)高度規(guī)則，其折疊形式完全由糖質(zhì)間的相互作用維持。意即，蛋白在這個(gè)高維結(jié)構(gòu)中只是一種線性存在，其結(jié)構(gòu)的組裝與成型完全依賴于糖質(zhì)的相互作用。并且由于高重復(fù)性，這些糖質(zhì)的組裝也是高度有序的。

　　通過(guò)計(jì)算氨基酸和糖質(zhì)的比例發(fā)現(xiàn)，該纖維結(jié)構(gòu)中糖質(zhì)的質(zhì)量占比達(dá)到了驚人的95%以上，因此科研人員在英文中將之類比為意大利面或者米線；考慮到荷塘的復(fù)雜環(huán)境，酷愛(ài)螺螄粉的顏寧教授更愿意在中文語(yǔ)境下稱之為8納米螺螄粉（一納米為百萬(wàn)分之一毫米，頭發(fā)的直徑大約為60-90微米，所以這些纖維絲大約為萬(wàn)分之一的頭發(fā)絲直徑）。   

　　本研究衍生出諸多有趣的問(wèn)題等待探索。比如，如此高度有序的結(jié)構(gòu)是由哪些糖基轉(zhuǎn)移酶催化的？在組裝過(guò)程中是否需要特定的伴侶蛋白或其他輔助因子？最重要的是，這些在細(xì)胞體外的纖維絲為糖基的存儲(chǔ)幾乎提供了無(wú)限空間，從而成為一種有效調(diào)節(jié)微環(huán)境里碳氮平衡的手段。探索這些問(wèn)題需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立合適的模式生物，還有賴于包括結(jié)構(gòu)信息學(xué)在內(nèi)的多種策略；而這些問(wèn)題的解決則將為包括合成生物學(xué)、材料科學(xué)在內(nèi)的諸多學(xué)科提供新思路和新手段。

　　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)、深圳灣實(shí)驗(yàn)室主任顏寧和清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院助理研究員李張強(qiáng)為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2020級(jí)直博生王彤彤、2023級(jí)博士生孫熠彤為本文共同第一作者。實(shí)驗(yàn)的冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集得到了清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)的幫助。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。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃，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://biorxiv.org/cgi/content/short/2024.12.15.627649v1