糖的化學(xué)復(fù)雜性以及非模板式的生物合成過程給建立序列-結(jié)構(gòu)關(guān)系帶來了巨大挑戰(zhàn)。

2026年4月23日，深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院/深圳灣實(shí)驗(yàn)室顏寧，清華大學(xué)黃雋豪及閆創(chuàng)業(yè)共同通訊在Science在線發(fā)表題為“Structural N- and O-glycans revealed by high-resolution cryo-EM analysis of tubular mastigonemes”的研究論文，該研究報(bào)告了來自金藻物種Ochromonas danica的管狀鞭毛體的冷凍電子顯微鏡結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的分辨率為 1.8 - 2.2 埃。

在高半乳糖型和復(fù)雜 N-糖鏈之外，該研究還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)在 Ala-Asn-Asp（AND）基序上的非標(biāo)準(zhǔn) N-糖鏈。表面突起由密集的 O-糖鏈覆蓋著 PSXX 四肽重復(fù)序列，每個(gè)重復(fù)序列上有兩個(gè)糖鏈連接在三羥基脯氨酸上，還有一個(gè)在絲氨酸上。除了各種類型的糖及其共價(jià)修飾物之外，水分子（占已解析體積的 10%以上）和陽離子也清晰可見，并且它們介導(dǎo)了結(jié)構(gòu)的組裝�？傊�，該研究為研究高階生物組裝中的糖折疊提供了框架。

在生命科學(xué)領(lǐng)域，糖類（碳水化合物）是最后一個(gè)尚未被完全破譯的“暗物質(zhì)”。它們不僅提供能量，更在細(xì)胞識(shí)別、免疫反應(yīng)、信號(hào)傳導(dǎo)等核心生命過程中扮演關(guān)鍵角色。然而，由于其結(jié)構(gòu)的極端復(fù)雜性、高度柔性和非模板化合成的特性，科學(xué)家一直難以在天然狀態(tài)下解析其高分辨率三維結(jié)構(gòu)，極大地限制了對(duì)糖類生物學(xué)機(jī)制的深入理解。

研究團(tuán)隊(duì)將目光投向了單細(xì)胞藻類Ochromonas danica的鞭毛體毛（一種細(xì)胞表面的絲狀附屬結(jié)構(gòu)），利用冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）技術(shù)，成功解析了其鞭毛體毛中一種管狀結(jié)構(gòu)（T型鞭毛體毛）的近原子分辨率（1.8-2.2埃）三維結(jié)構(gòu)。這一成就如同為糖類世界開啟了一臺(tái)“電子顯微鏡”，首次以前所未有的清晰度窺見了天然糖復(fù)合物的精密構(gòu)造。

高分辨率冷凍電鏡解析揭示管狀纖絨毛中結(jié)構(gòu)N-和O-糖質(zhì)

技術(shù)革命：當(dāng)冷凍電鏡遇見AI建模

研究的突破首先源于方法學(xué)的融合創(chuàng)新。面對(duì)糖鏈結(jié)構(gòu)建模的“噩夢(mèng)級(jí)”挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了名為EModelG的人工智能（AI）自動(dòng)化建模管道。這個(gè)“AI助手”能夠高效、準(zhǔn)確地根據(jù)cryo-EM獲得的高分辨率三維密度圖，自動(dòng)構(gòu)建糖鏈的原子模型。結(jié)合質(zhì)譜化學(xué)分析進(jìn)行驗(yàn)證，這套綜合工作流程解決了長(zhǎng)期困擾糖生物學(xué)的結(jié)構(gòu)解析難題。

核心發(fā)現(xiàn)：糖類結(jié)構(gòu)的“工具箱”與“腳手架”

在驚人的分辨率下，研究揭示了T型鞭毛體毛的分子藍(lán)圖，帶來三大關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：

1. 多樣化的糖鏈“工具箱”：結(jié)構(gòu)圖清晰地展示了多種類型的N-連接和O-連接糖鏈，包括一種非標(biāo)準(zhǔn)形式的N-糖鏈。特別重要的是，研究者首次在近原子分辨率下直接“看見”了阿拉伯糖殘基及其5‘,5‘-磷酸二酯鍵，這種鍵如同“分子訂書釘”，將相鄰糖鏈交聯(lián)成穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)，闡明了糖鏈組裝成高級(jí)結(jié)構(gòu)的化學(xué)基礎(chǔ)。
2. 未知蛋白質(zhì)的“骨架”：結(jié)構(gòu)解析出兩種此前完全未知的糖蛋白。其中一種蛋白骨架呈現(xiàn)出規(guī)律性的重復(fù)序列，被特定的O-糖鏈修飾，被命名為“PSXX型”糖纖維。這為理解糖蛋白如何作為“腳手架”支撐復(fù)雜糖結(jié)構(gòu)提供了模板。
3. 結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)鍵“介質(zhì)”：高分辨率圖譜還揭示了一個(gè)廣泛且高度有序的水分子網(wǎng)絡(luò)，其體積占整個(gè)結(jié)構(gòu)模型的10%以上。這些水分子并非無序存在，而是構(gòu)成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與行使功能所必需的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，是理解糖類生物功能的又一關(guān)鍵。

深遠(yuǎn)意義：確立新模式與打開新視野

這項(xiàng)研究的意義超越了一個(gè)特定結(jié)構(gòu)的解析。它成功將奧克羅莫納斯·丹卡確立為研究“糖類的序列-結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系”的理想模式生物。更重要的是，它所建立并驗(yàn)證的“高分辨冷凍電鏡成像 + AI自動(dòng)化建模 + 質(zhì)譜驗(yàn)證”綜合工作流程，為系統(tǒng)性解析各種復(fù)雜天然糖類結(jié)構(gòu)鋪平了道路。這項(xiàng)突破性進(jìn)展，標(biāo)志著糖生物學(xué)正從“化學(xué)組成分析”邁入“高分辨率結(jié)構(gòu)生物學(xué)”的新時(shí)代，為未來開發(fā)基于糖結(jié)構(gòu)的藥物、疫苗和生物材料奠定了堅(jiān)實(shí)的分子基礎(chǔ)。

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，清華大學(xué)生命學(xué)院博士生黃雋豪、副教授閆創(chuàng)業(yè)為本文的共同通訊作者。黃雋豪、水木學(xué)者陶慧、陳晟為本文共同第一作者�？蒲兄泶迊喨A、博士生徐藝然為研究工作做出了重要貢獻(xiàn)。深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物結(jié)構(gòu)解析平臺(tái)、高性能計(jì)算平臺(tái)提供了電鏡數(shù)據(jù)采集和計(jì)算支撐。實(shí)驗(yàn)的質(zhì)譜鑒定工作得到了清華大學(xué)蛋白質(zhì)化學(xué)與組學(xué)平臺(tái)、深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院人類免疫學(xué)研究所盛心磊研究員的支持。本研究得到了國家自然科學(xué)基金“破譯生命的糖質(zhì)密碼”重大研究計(jì)劃，國家自然科學(xué)基金青年學(xué)生基礎(chǔ)研究項(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。同時(shí)，特別感謝鵬瑞基金會(huì)捐贈(zèng)的“邁瑞教授”經(jīng)費(fèi)對(duì)顏寧研究工作給予的支持。

參考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aef49