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11 月 2 日，十五運會火炬?zhèn)鬟f在深圳啟動。中國科學(xué)院院士、深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院創(chuàng)始院長顏寧，手持火炬跑過深圳前海石。

圖源：深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院微博

火炬?zhèn)鬟f結(jié)束后，顏寧接受采訪表示，實現(xiàn)夢想的每一步都是完美契合的，要腳踏實地地把夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。也提到了「科研本身就是一場馬拉松，與體育競技一樣，都是不斷突破人類極限的過程。」

近年來，顏寧團(tuán)隊提出了「CryoSeek（酷尋）」研究策略，在沒有先驗知識的情況下，將冷凍電鏡作為面向未知生物大分子的發(fā)現(xiàn)工具。因此，CryoSeek 策略或代表一種「前向結(jié)構(gòu)生物學(xué)」研究，即以結(jié)構(gòu)為先導(dǎo)的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)范式。

在前期研究中，顏寧團(tuán)隊結(jié)合冷凍電鏡技術(shù)、AI 輔助的自動建模以及生物信息學(xué)分析，報道了來自清華大學(xué)荷塘環(huán)境樣品的一種纖維蛋白結(jié)構(gòu) TLP-1，并對其來源和潛在功能進(jìn)行了推測。隨后的研究進(jìn)一步鑒定出一種新型糖纖維結(jié)構(gòu) TLP-4，其核心是由四肽重復(fù)序列組成的線性多肽，外圍被厚厚的糖鏈包裹。四肽重復(fù)片段包含一個保守的 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，還存在一個保守的 O-糖基化修飾的絲氨酸或蘇氨酸。這些研究成果，不僅揭示了聚糖在生物大分子結(jié)構(gòu)組裝過程中的重要作用，也為天然糖質(zhì)的發(fā)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)解析提供了新思路 [1,2,3]。

糖在生命活動中扮演著能量供給、細(xì)胞信號傳導(dǎo)、免疫識別等至關(guān)重要的角色，其多維功能依賴于其獨特的立體結(jié)構(gòu)。然而，與核酸和蛋白質(zhì)相比，糖的結(jié)構(gòu)與功能研究相對滯后。這主要是由于單糖分子類型多樣，具有多個手性中心，形成聚糖時糖苷鍵連接方式復(fù)雜多變，且結(jié)構(gòu)高度柔性，使得其高分辨率三維結(jié)構(gòu)的解析異常困難，嚴(yán)重限制了我們對其結(jié)構(gòu)與功能的深入理解。

在利用冷凍電鏡解析結(jié)構(gòu)時，會面臨一個根本性挑戰(zhàn)：冷凍電鏡成像丟失了結(jié)構(gòu)的「絕對手性」信息，這導(dǎo)致最終重構(gòu)得到的三維密度圖存在「鏡像顛倒」的兩種可能。對于蛋白質(zhì)，科學(xué)家可利用其 α-螺旋均為右旋這一先驗知識來校正。但糖質(zhì)纖維主要由糖構(gòu)成，不含 α-螺旋，且自然界同時存在 D 型和 L 型糖，因此即使達(dá)到原子分辨率，也無法直接判斷絕對手性。這一不確定性如同失去了「地圖的南北方向」，使得構(gòu)建正確的原子模型寸步難行。

此前，解決該問題的經(jīng)典方法是「傾轉(zhuǎn)對」成像技術(shù)，但它需要預(yù)先知道樣品的參考結(jié)構(gòu)，并對同一區(qū)域進(jìn)行兩次成像。對于從自然水體等環(huán)境中直接獲取的、可能包含上百種不同糖質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的高異質(zhì)性樣品而言，傳統(tǒng)方法幾乎無法應(yīng)用。

北京時間 2025 年 10 月，顏寧團(tuán)隊、胡名旭團(tuán)隊及其合作者在預(yù)印本網(wǎng)站BioRxiv發(fā)布兩項最新研究成果，論文標(biāo)題分別為

「基于 CryoSeek 策略鑒定具有多樣組成與結(jié)構(gòu)組裝的糖纖維」（CryoSeek identification of glycofibrils with diverse compositions and structural assemblies）

「冷凍電子顯微學(xué)中自然來源糖質(zhì)纖維的絕對手性確定」(Absolute hand determination of glycofibrils from natural sources in cryo-EM)

https://doi.org/10.1101/2025.09.30.679562

https://doi.org/10.1101/2025.09.30.679555

延續(xù)「荷糖月色」研究計劃，團(tuán)隊在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中解析了另外五種全新的糖纖維結(jié)構(gòu)，揭示了糖纖維結(jié)構(gòu)在天然環(huán)境中的多樣性以及糖質(zhì)在結(jié)構(gòu)組裝過程中的關(guān)鍵作用。與此同時，為解決糖纖維絕對手性判定這一難題，研究團(tuán)隊合作開發(fā)了名為 Ahaha 的新方法，該方法僅需在單角度傾斜的情況下進(jìn)行常規(guī)的冷凍電鏡成像，即可高效、準(zhǔn)確地判定天然來源糖纖維的絕對手性，目前，該方法已開通在線服務(wù)（圖 1）。

圖 1. Ahaha 的在線服務(wù)頁面

（https://cryoseek.org/ahaha）

圖 2. 利用 CryoSeek 研究策略，在清華荷塘中鑒定出多種纖維結(jié)構(gòu)。

圖 2A. 目前，在清華荷塘水樣中共解析出 9 種高分辨率纖維結(jié)構(gòu)，依據(jù)其蛋白組成可分為三種類型，分別為蛋白纖維（TLP-1a/b）、以蛋白為核心的糖纖維（TLP-2/3/4a/4b/12/IPT）和全部由糖組成的纖維（TLP-0）；

圖 2B-F. 最新報道的 5 種糖纖維結(jié)構(gòu)的組成以及其螺旋參數(shù)。

新解析的五種糖纖維分別命名為 TLP-IPT、TLP-12、TLP-3、TLP-2 和 TLP-0，其中名稱前綴的 TLP 為清華大學(xué)荷塘的縮寫（Tsinghua Lotus Pond），后綴則反映了各糖纖維中蛋白核心的特征。TLP-IPT 是由連續(xù) IPT（Ig?like/plexins/transcription factors）結(jié)構(gòu)域構(gòu)成可識別的蛋白核心，每個 IPT 結(jié)構(gòu)域外圍被 13 條糖鏈環(huán)繞；TLP-12 是由三股高度重復(fù)的十二肽共同編織成三股平行 β?折疊帶，外圍覆蓋兩列螺旋糖脊；TLP-3 和 TLP-2 的核心都是線性多肽，其中 TLP-3 由三股三肽重復(fù)序列互絞形成蛋白細(xì)芯，而 TLP-2 則是一條二肽重復(fù)序列構(gòu)成，它們外圈都被厚厚的一層糖鏈包裹；TLP-0 則完全由糖質(zhì)組成，「0」表示其不含有蛋白組分。上述研究不僅揭示了天然環(huán)境中糖纖維的結(jié)構(gòu)以及組成的多樣性，也表明以 CryoSeek 策略的框架下，結(jié)合多學(xué)科研究手段，有望為糖質(zhì)測序以及天然糖質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的高通量、體系化研究提供新路徑。

圖 3. Ahaha 決定手性的原理示意圖

為解決糖纖維手性問題，研究團(tuán)隊提出創(chuàng)新算法 Ahaha。Ahaha 的原理如圖 3 所示：互為鏡像的螺旋結(jié)構(gòu)，在相同的傾角下具有不同的投影，而在相反的傾角下具有相同的投影，由此可知不同手性的螺旋應(yīng)當(dāng)具有相反的傾斜。另一方面，由于螺旋結(jié)構(gòu)的糖質(zhì)纖維必然平躺在樣品平面，其傾斜必然平行于樣品本身。通過分析高分辨率螺旋重構(gòu)中的顆粒傾斜與樣品本身的傾斜是否一致，可以決定重構(gòu)的高分辨率密度圖的手性是否正確。利用 Ahaha，團(tuán)隊成功對一個天然淡水樣本（喀斯特洞穴中的石筍滴水）中發(fā)現(xiàn)的四種糖質(zhì)纖維完成了絕對手性判定，并據(jù)此構(gòu)建了其精確的原子模型（圖 4），標(biāo)志著我們對糖這一生命「暗物質(zhì)」的結(jié)構(gòu)研究邁入了實質(zhì)性的新階段。該方法的上線將為全球相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供強(qiáng)大工具（在線服務(wù)地址：https://cryoseek.org/ahaha），有望加速推動糖生物學(xué)領(lǐng)域的突破性發(fā)現(xiàn)。

圖 4. 使用 Ahaha 決定四種自然來源糖質(zhì)纖維的手性并搭建其原子模型。

圖 4a. Ahaha 分析了四種糖質(zhì)纖維的顆粒傾斜角的熱力圖綠色表示顆粒傾斜角與給定樣品傾斜角一致，從而表示其三維結(jié)構(gòu)手性正確，紅色則表示相反從而手性錯誤。作為對照，使用了相反的螺旋轉(zhuǎn)角（twist）參數(shù)與手性相反的初始模型進(jìn)行螺旋精修時，Ahaha 能夠如預(yù)期地給出手性錯誤的結(jié)果。

圖 4b. 糖質(zhì)纖維相鄰兩個螺旋單元，及螺旋對稱參數(shù)。

圖 4c. 糖質(zhì)纖維的原子模型。

深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院、深圳灣實驗室顏寧教授，清華大學(xué)生命學(xué)院助理研究員李張強(qiáng),和王彤彤博士為第一篇預(yù)印本論文的共同通訊作者。清華大學(xué)生命學(xué)院的李張強(qiáng)助理研究員、王彤彤博士、孫熠彤是該論文的第一作者。清華大學(xué)生命學(xué)院的徐魁博士、黃文澤博士、張強(qiáng)鋒副教授、閆創(chuàng)業(yè)副教授，以及深圳醫(yī)科院的胡名旭特聘研究員為該論文做出了重要貢獻(xiàn)。深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院特聘研究員胡名旭，清華大學(xué)生命學(xué)院副教授王佳偉，深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院、深圳灣實驗室顏寧教授為第二篇預(yù)印本論文的共同通訊作者。深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院張起博士是該文的第一作者。覃蘭菊、王彤彤博士、李張強(qiáng)助理研究員、張毅琳、陳晟博士為研究工作做出了重要貢獻(xiàn)。研究受到深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心資助。

參考文獻(xiàn)：

[1] Wang, T., Li, Z., Xu, K., Huang, W., Huang, G., Zhang, Q. C., & Yan, N. (2024). CryoSeek: A strategy for bioentity discovery using cryoelectron microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(42), e2417046121.

[2] Wang, T., Huang, W., Xu, K., Sun, Y., Zhang, Q.C., Yan, C., Li, Z., & Yan, N. (2025). CryoSeek II: Cryo-EM analysis of glycofibrils from freshwater reveals well-structured glycans coating linear tetrapeptide repeats, Proceedings of the National Academy of Sciences, 122(1), e2423943122.

[3] Wang, T., Sun, Y., Li, Z., & Yan, N. (2024). The 8-nm spaghetti: well-structured glycans coating linear tetrapeptide repeats discovered from freshwater with CryoSeek. bioRxiv, 2024-12.

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