Nature：西湖大学吴建平/闫浈团队结构生物学领域又一突破！

北京时间 2024 年 12 月 11 日，西湖大学吴建平团队联合闫浈团队在 Nature 上在线发表题为 「Structure and assembly of the dystrophin glycoprotein complex」 的研究论文（图 1）， 该研究首次报道了肌营养不良症的核心关联蛋白--肌营养不良蛋白糖蛋白复合体（Dystrophin Glycoprotein Complex, 简称 DGC）的高分辨结构， 为这一重要复合体的组装、机械传导功能以及与肌营养不良症相关突变的发病机制提供了全新见解。

论文截图（图 1）

肌营养不良症（Muscular Dystrophy） 是一类由遗传因素引起的疾病，表现为进行性肌无力和退化。肌营养不良症有多种亚型，其中杜氏肌营养不良症（Duchenne Muscular Dystrophy, DMD）是最常见且最严重的亚型（图 2）。DMD 通常由肌营养不良蛋白（dystrophin）基因突变引起，该基因位于 X 染色体上，为 X 连锁隐性遗传，因此主要影响男性，女性多为携带者，发病率约为 1/3500。DMD 患者在出生至幼儿期发育正常，3-5 岁便开始出现步态异常，随着年龄增长，肌肉逐渐萎缩，需使用轮椅代步，最终通常在 20 多岁时便因呼吸或心力衰竭而死亡。目前，DMD 尚无高效精准的治愈方法。

图 2. 杜氏肌营养不良临床表现 — 肌无力和退化

Dystrophin 在体内与多个相互作用蛋白形成 DGC 复合体，主要分布在肌肉组织和神经系统，在维持细胞结构和完整性、参与信号传导、提供机械支持和防止细胞损伤等过程中发挥重要作用。DGC 在细胞外侧与细胞外基质相互作用，在细胞内侧通过 dystrophin 与细胞骨架连接，起到连接细胞内外的 桥梁和纽带 的作用。这一特点使得 DGC 在肌肉收缩过程中能够有效地传递和耗散机械力，进而帮助保护和维持肌肉细胞膜的完整性和稳定性。除了 dystrophin 突变导致的 DMD 之外，DGC 其他组分的突变还会引起多种肌营养不良症，包括贝氏肌营养不良症（BMD）、肢带型肌营养不良症（LGMD）、先天性肌营养不良症（CMD）等。因此，针对 DGC 的研究对于深入理解肌营养不良症的发病机制和开发相应的治疗方法具有重要的意义。

关于 DGC 的基础研究以及肌营养不良症的临床研究已经积累了三十多年。尽管如此，DGC 复合体的结构研究进展缓慢，仅有个别组分的亚基结构被报道，而完整复合体的全貌一直未知，严重阻碍了对 DGC 组装和功能的全面理解。鉴于 DGC 在生理和病理上的重要意义，其完整结构的研究一直是科学家们长期追求的目标。在最新的这项研究中， 吴建平团队和闫浈团队从小鼠骨骼肌组织中分离出了内源性 DGC 复合体，并成功解析了其高分辨率结构，填补了该领域的空白。

图 3. 小鼠骨骼肌内源 DGC 复合体高分辨结构电子密度图

这项研究首次呈现了 DGC 的高分辨率结构（分辨率 3.2-3.5 Å），揭示了总共 9 个蛋白组分，包括四个 sarcoglycan（α-、β-、γ-和 δ-），dystrophin，dystrobrevin，sarcospan，和两个 dystroglycan（α-、β-）（图 3）。此外，结构还鉴定了多个糖基化修饰（图 3 绿色部分）及参与介导蛋白相互作用的脂类分子（图 3 红色部分）。DGC 整体呈现瘦长的结构特征，具有较大的胞外结构域。其中，β-、γ-和 δ- sarcoglycans（图 3 蓝色、黄色、青色部分）三个组分通过 β-strand 共折叠的方式形成独特的 β-螺旋塔状结构（ECD 塔）。这一塔状结构就像一个坚实的承重柱牢牢地插在细胞膜上，不仅能够稳定 DGC 的胞外结构域，而且为另外两个关键蛋白组分 α-dystroglycan（也称 α-DG, 图 3 卡其色部分）和 α-sarcoglycan（图 3 粉色部分）提供了支撑位点。这些蛋白组分又共同与 dystrophin（图 3 橙色部分）的 CR 结构域（cysteine-rich domain）在细胞膜内侧附近形成广泛相互作用，为 dystrophin 与细胞外的连接提供了结构基础。

值得一提的是，该结构在许多方面颠覆了人们先前对 DGC 组分组装模式的理解（图 4）。例如，先前的模型认为 α-、β-、γ-和 δ-sarcoglycans 和 sarcospan 一起构成了 DGC 中的一个外围亚复合体。然而，结构显示 sarcoglycans 和 sarcospan 并没有直接相互作用，而是分别位于 β-dystroglycan（也称 β-DG，图 4 左浅褐色，图 4 右深褐色部分）跨膜螺旋的两侧，进而帮助稳定 β-dystroglycan。 这其中由 β-、γ-和 δ-sarcoglycans 形成的胞外侧 ECD 塔也是首次报道。 此外，相比先前认为 dystrophin 与 β-dystroglycan 互作的模型， 结构揭示了 sarcoglycans 蛋白在参与 dystrophin 锚定在细胞膜内侧的过程中发挥了更为关键的作用。

图 4：先前的 DGC 组装（左）和基于结构研究的 DGC 组装（右）的卡通模型对比

该结构为过去三十年临床研究中积累的大量与肌营养不良症相关的突变机制提供了宝贵的见解（图 5）。 研究团队揭示与肌营养不良症相关的致病突变大多分布于三个区域，包括 ECD 塔、a-sarcoglycan 以及 dystrophin 与其他蛋白的作用界面，这表明这些特定区域对于 DGC 发挥正常功能的重要作用。研究团队重点分析了临床上引起严重表型的肌营养不良症的突变，发现这些突变往往位于蛋白亚基的相互作用界面和 ECD 塔的内部（图 5c，d），推测这些突变会破坏蛋白质内部的互作或影响蛋白稳定性。为此，研究团队在体外表达了 a-sarcoglycan 膜外区部分，并在此基础上测试突变体对蛋白表达和性质的影响，发现所有测试的位于 a-sarcoglycan 上的单点致病突变均会影响蛋白的表达或稳定性，证实上述猜测。这为理解部分肌营养不良症的致病机制提供了深入见解。

图 5. 肌营养不良症相关的突变位点分布及潜在致病机制

此外，该工作为临床开发肌营养不良症的新型基因治疗方法提供重要线索。目前针对 DMD 患者的治疗手段非常有限，其中一个策略是通过基因治疗方法来修补功能异常的 dystrophin 蛋白。但是，dystrophin 编码基因是人体最长的基因之一，包括内含子在内的基因总长度约有 2.2Mb，编码的蛋白则包含了 3685 个氨基酸。完整递送如此长的基因去替换致病基因在技术上十分困难。为此，科学家尝试利用简化版的 micro-dystrophin 来代替全长蛋白。然而如何选择合适的 micro-dystrophin 是基因治疗的关键问题。研究团队所解析的结构显示，在 dystrophin 上占全长不足 1/10 长度的 CR 区域（cysteine-rich domain，图 3 橙色区域）是 dystrophin 参与 DGC 组装最核心区域。这为设计潜在更合理有效的 micro-dystrophin 提供了重要参考。未来，这个结构所提供的重要线索，或许能为肌营养不良症的治疗带来新的希望。

西湖实验室开拓学者万里、清华大学生命科学学院已毕业博士生葛霄飞、西湖大学博士生许祺奎、西湖实验室副研究员黄高兴宇为本文共同第一作者。西湖大学特聘研究员吴建平、闫浈为本文共同通讯作者。美国爱荷华大学 Kevin P. Campbell 教授和杨天帝博士参与了该工作。西湖大学的冷冻电镜平台、高性能计算中心、质谱平台以及实验动物中心为研究提供了技术支持。该研究获得了国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金委、西湖大学和西湖实验室的经费资助。

吴建平博士和闫浈博士在建立独立实验室前曾合作揭示了骨骼肌兴奋收缩偶联通路的关键分子基础（电压门控钙离子通道 Cav1.1 和钙离子释放通道 RyR1 的结构研究）。本项目是两位研究员分别建立独立实验室后再次合作， 利用结构生物学手段理解肌肉生理功能方面取得的又一重要突破。 除此合作方向外，两个团队近年来还分别在生殖生物学和植物蛋白转运方面取得了重要进展。 以下为团队简介：

吴建平团队简介：

吴建平课题组致力于基本生命过程的关键蛋白的结构与功能研究，特别关注探索受精过程的结构基础，以揭示受精过程的机理，帮助理解生命诞生的基本过程，并为不孕不育症的诊断、治疗和药物开发提供新思路 （ 点击阅读： Cell：理解精子运动的新突破！吴建平/桂淼/刘明兮合作定义弱精症新亚型 ） 。课题组长期招聘对生物化学、结构生物学、生殖生物学、生物信息学、电生理等方向感兴趣的成员。期待与有志青年学者共同探索生命的奥秘！

联系方式：[email protected]。

闫浈团队简介：

闫浈课题组综合运用生物化学、基因编辑、生物信息学、单颗粒冷冻电镜技术、人工智能建模、原位冷冻电子断层扫描等多元技术手段，致力于揭示重要蛋白复合体的工作机制，特别聚焦于叶绿体的发生、发育与稳态调节 （点击阅读： 里程碑！西湖大学团队结构生物学领域连发两篇 Cell ） 。课题组广泛招纳具有相关背景的研究系列人员、博士后、科研助理，同时接收本科或硕士起点的博士研究生，并热忱欢迎优秀的本科生加入，参与毕业设计项目。课题组将依据每位成员的专业背景和职业发展蓝图，定制个性化的培养方案，悉心培育未来的科研精英。加入我们的实验室，开启你的科学探索之旅，让我们一起创造更多可能！

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审核：吴建平

图片版权：Nature、图虫创意

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