当分辨率从 3 埃提到 2.3 埃，一个神奇的世界出现了：一种前所未有的 5',5'-phosphodiester bond 被直接观察到，将相邻的糖链织成了糖网！
碳水化合物是生命的基本物质，包括多糖、聚糖在内的糖质（glycan）对于细胞活动必不可少。尽管糖质具有重要的基础生物学意义，但其三维结构信息在很大程度上是缺失的。迄今为止，糖质高分辨率结构仅限于与蛋白质结合的相对简单的糖配体或蛋白质修饰上与氨基酸相连的少数几个糖环。这种结构信息的缺乏严重阻碍了我们对于糖质参与的广泛的生理和病理功能的机制理解。考虑到糖质是地球上最丰富的生命分子，对其高级结构的解析对于破译糖质和糖缀合物的折叠原理至关重要，并且可能助力包括材料科学在内的多个研究领域。
此前，颜宁及其合作者们在《细胞》
（Cell）
杂志报道了莱茵衣藻纤绒毛 (mastigoneme) 复合物的高分辨率结构，研究者发现并鉴定出 Mastigoneme 前所未知的核心组分，并为之命名「纤绒毛轴心蛋白 (Mastigoneme-specific axial protein, Mstax) 」，首次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，凸显了现代结构生物学从生物研究相对下游的机理解析工具变成源头创新发现手段的角色转变
[1]
。这项研究同时提示选择合适的生物体系能够对糖质的结构生物学研究取得意想不到的突破。
与该工作同期开展的「荷糖月色」课题则通过「CryoSeek（酷寻）」这一研究策略，进一步将冷冻电镜作为一种观察工具，用于发现完全未知的生物大分子。结合冷冻电镜分析、AI 辅助的自动建模以及生物信息学分析，颜宁团队在今年连续报道了来自清华大学荷塘中多种新型的纤维蛋白以及糖蛋白的结构和潜在功能
[2-3]
。揭示了糖质全新高重复性、高度有序组装的机制。
原文链接：
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.12.24.630281v1
北京时间 2024 年 12 月 26 日，颜宁及其合作者们在预印本网站
BioRxiv
公布最新成果，论文标题为「高分辨纤绒毛结构揭示通过 5',5'-磷酸二酯键稳定的糖质折叠」
(High-resolution mastigoneme structure reveals 5',5'-phosphodiesters stabilized glycan folding)。
高达 2.3 埃（即 0.23 纳米）的分辨率不仅让研究者可以精准确定糖质的种类与立体化学信息，还揭示了一种此前在自然界从未发现过的 5', 5'-磷酸二酯键，它将相邻的糖链进行了共价固定，从而将修饰于不同氨基酸上的糖链编织成了「糖网」。结构分析还揭示了糖基化复合物的二级结构单元，研究者们将其命名为多聚羟脯氨酸（poly-hydroxyproline, pHP）糖质螺旋（图 1）。
图 1. 通过 5', 5'-磷酸二酯键
使 Mstax 中的糖基阵列得到稳定
图 2. 纤绒毛中糖质折叠模式
5',5'-磷酸二酯键的更广泛物种分布及其在结构作用之外的生理功能仍有待研究。更重要的是，催化该化学键形成的酶尚未被鉴定。以结构信息为基础发现的前所未有的 5',5'-磷酸二酯键表明，糖质的高级组装方式复杂性可能超出我们的想象。
该研究定义了一种新的糖质基本二级结构单元，标志着对糖质和糖缀合物结构进行系统性研究的重要一步，为破译糖质折叠密码奠定了重要基础（图 2）。
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、深圳湾实验室主任颜宁、清华大学生命学院副教授闫创业、清华大学生命学院教授潘俊敏、清华大学生命学院直博生黄隽豪为本文的共同通讯作者。黄隽豪及水木学者陶慧博士为本文共同第一作者。实验的冷冻电镜数据收集得到了清华大学冷冻电镜平台的帮助。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。本研究得到了国家自然科学基金重大研究计划，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。
