Science丨顏寧等揭示共價修飾、水分子與陽離子配位介導(dǎo)糖質(zhì)高級組裝的新模式

糖質(zhì)（ glycan ）是生命四大基本生物大分子之一，在細(xì)胞識別、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、免疫調(diào)控和結(jié)構(gòu)支持等多種生理過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。 歷史上， 糖質(zhì)曾常 被統(tǒng)稱為 “ 碳水化合物 ” （ carbohydrates ），這一名稱源于其經(jīng)典化學(xué)表達(dá)形式 C x (H 2 O) n ；盡管糖 質(zhì)研究 可追溯至 19 世紀(jì)，但與蛋白質(zhì)和核酸相比，糖 質(zhì)科學(xué) 的發(fā)展長期相對滯后。其根本原因在于：糖質(zhì)太過復(fù)雜，一直缺乏有效的研究手段。糖質(zhì)的生物合成并不像 DNA 、 RNA 、蛋白質(zhì)一樣依賴模板，因此缺乏從基因組到糖質(zhì)序列的對應(yīng)關(guān)系；而高度多樣的單糖組成、復(fù)雜的糖苷鍵連接方式和顯著的空間構(gòu)象異質(zhì)性，限制了對于復(fù)雜糖質(zhì)復(fù)合物的高分辨率三維結(jié)構(gòu)解析。這種結(jié)構(gòu)信息的長期缺失，也在很大程度上阻礙了人類對糖質(zhì)在多種生理和病理過程中作用機(jī)制的深入理解。

2026 年 4 月 24 日， 顏寧 、 黃雋豪 、 閆創(chuàng)業(yè) 等在 Science 上發(fā)表最新研究成果，論文標(biāo)題為 “Structural N- and O-glycans revealed by high-resolution cryo-EM analysis of tubularmastigonemes（ S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)） ” 。研究團(tuán)隊以金藻Ochromonasdanica的管狀纖絨毛（T-mastigoneme）糖質(zhì)-蛋白質(zhì)復(fù)合物為研究對象，建立了整合高分辨率冷凍電鏡、糖蛋白質(zhì)組學(xué)與人工智能建模的綜合研究策略，獲得了整體糖質(zhì)分辨率約2 ?（即0.2納米）， 核心局部最高達(dá) 1.8 ? 的超高分辨率三維電鏡密度圖，進(jìn)一步將天然糖質(zhì)復(fù)合物的研究推進(jìn)至近原子分辨率層面。

這一分辨率水平使對天然糖質(zhì)的直接可視化成為可能，不僅支持多種單糖類型的精確識別，也為乙酰化、甲基化和硫酸化等多種共價修飾的判定提供了明確的結(jié)構(gòu)依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，研究者還通過整合結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究與靶向質(zhì)譜技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了一類基于 “AND” 基序的新型非經(jīng)典 N- 糖基化類型，并借助結(jié)構(gòu)聚類搜索揭示了該基序在多種高致病性物種中的進(jìn)化保守性。與此同時，由顏寧實(shí)驗室開發(fā)的 AI 自動建模工具 EModelG 顯著提升了糖 質(zhì)結(jié)構(gòu) 自動建模的效率， 推動糖 質(zhì)結(jié)構(gòu) 解析從依賴間接片段信息推斷向高精度直接建模轉(zhuǎn)變，也為復(fù)雜天然糖質(zhì)的大規(guī)模結(jié)構(gòu)研究提供了方法學(xué)支撐。

圖 1. 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)

進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)分析表明，不同類型的 N- 糖質(zhì)在該體系中承擔(dān)著彼此明確區(qū)分、各不相同的結(jié)構(gòu)功能。研究系統(tǒng)提出了三種糖質(zhì) 介 導(dǎo)大分子組裝的功能模式：其一， “ 糖質(zhì)縫合 ” （ glycostitch ）通過非經(jīng)典 AND 基序糖鏈形成規(guī)則 螺旋樣構(gòu)象，穩(wěn)定重復(fù)單元內(nèi)部的亞基界面；其二， “ 糖質(zhì)橋 ” （ glycobridge ）主要由高甘露糖型結(jié)構(gòu) 介 導(dǎo)，跨越重復(fù)單元形成長程相互作用，并表現(xiàn)出一定的跨物種保守性；其三， “ 糖質(zhì)島 ” （ glyco -islet ） 以簇狀 方式分布于復(fù)合物表面，通過增加表面積和親水性提升整體穩(wěn)定性與可溶性。這些發(fā)現(xiàn)突破了將糖質(zhì)僅視為蛋白質(zhì)附屬修飾的傳統(tǒng)認(rèn)識，表明糖質(zhì)本身可以直接作為驅(qū)動生物大分子折疊與高級組裝的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元。

在 O- 糖 質(zhì)結(jié)構(gòu) 方面，研究進(jìn)一步解析了基于 PSXX 四肽重復(fù)形成的高級糖質(zhì)纖維。結(jié)構(gòu)顯示，3,4,5-三羥基脯氨酸（THP）和絲氨酸位點(diǎn)被致 密糖 基化，形成規(guī)則排列的表面 “ 糖刺 ” 樣突起，并共同構(gòu)建出穩(wěn)定的糖質(zhì)纖維骨架。 研究首次在該體系中鑒定出罕見的 THP 修飾，并精確揭示了由八種單糖及多種共價修飾共同構(gòu)成的復(fù)雜 O- 糖質(zhì)折疊形式。 更為重要的是，高分辨率密度圖還揭示出廣泛存在的有序水分子網(wǎng)絡(luò)和多價陽離子配位中心。這些此前難以被直接觀測的結(jié)構(gòu)因素，通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)和配位作用顯著增強(qiáng)了糖質(zhì)之間的相互作用。其中，金屬陽離子可 介 導(dǎo)跨越重復(fù)單元的八配位網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)糖質(zhì)螺旋核心的機(jī)械剛性，并伴隨特征性的甘露糖 “ 扭船式 ” 構(gòu)象翻轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)局部能量補(bǔ)償， 為理解復(fù)雜糖質(zhì)裝配體穩(wěn)定性的物理化學(xué)基礎(chǔ)提供了直接實(shí)驗依據(jù)。

圖 2. 共價修飾、水分子以及金屬離子在糖質(zhì)螺旋組裝中的結(jié)構(gòu)作用

綜上，本研究實(shí)現(xiàn)了對天然糖質(zhì)從化學(xué)組成到空間構(gòu)象的直接解析，提出了一系列新型糖質(zhì)組裝元件，如“糖質(zhì)縫合”（glycostitch）、“糖質(zhì)橋”（glycobridge）和“糖質(zhì)島”（glyco-islet），系統(tǒng)揭示了糖質(zhì)在生物大分子高級組裝中的結(jié)構(gòu)性作用，為復(fù)雜糖質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)、鑒定與工程化利用提供了新的方法學(xué)框架，標(biāo)志著糖質(zhì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)正進(jìn)入原子分辨率解析的新階段。

深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院創(chuàng)始院長、深圳灣實(shí)驗室主任 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。科研助理 崔亞華 、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、高性能計算平臺提供了電鏡數(shù)據(jù)采集和計算支撐。實(shí)驗的質(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、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。

本研究最初于 2026 年 1 月 28 日發(fā)布在 浪淘沙預(yù)印本平臺 （ Langtaosha.org.cn ）【1】， 第一時間通過預(yù)印本平臺向全球公開，供大家研讀、討論與交流 ，也 為后續(xù)研究提供了重要參考。目前，發(fā)布在浪淘沙預(yù)印本平臺上的文章已逐步被 Google Scholar 、 ResearchGate 等主流學(xué)術(shù)平臺收錄，學(xué)術(shù)影響力持續(xù)擴(kuò)大。該平臺始終致力于打造開放、高效、規(guī)范的學(xué)術(shù)交流環(huán)境，為全球研究者提供成果快速發(fā)布、廣泛傳播與長期存證的服務(wù)。

本研究中所報道解析的糖纖維結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的冷凍電鏡密度圖目前已上傳至 CryoSeek 數(shù)據(jù)庫 （ Cryoseek.org.cn ；結(jié)構(gòu)和電鏡密度圖詳見【2, 3】) 。 CryoSeek 數(shù)據(jù)庫是由顏寧團(tuán)隊依托深圳醫(yī)學(xué)科學(xué)院建立，系統(tǒng)收錄了以糖質(zhì)為代表的 “ 生命暗物質(zhì) ” 的結(jié)構(gòu)與鑒定成果，并提供在線服務(wù)，從而更好地支持糖質(zhì)等相關(guān)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的管理與共享，服務(wù)于科研界。 CryoSeek 數(shù)據(jù)庫以及高通量 CryoSeek 結(jié)構(gòu)測定技術(shù)體系的相關(guān)研究成果已 發(fā)布于浪淘沙 預(yù)印本平臺【4】。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aef4958

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

[1] Huang , J ., Tao , H ., Chen , S ., Cui , Y ., Xu , Y ., Yan , C ., & Yan , N . (2026). AI - facilitated high - resolution cryo - EM analyses of tubular mastigonemes reveal the structural roles of N - and O - glycans .LangTaoShaPreprint Server.https://doi.org/10.65215/LTSpreprints.2026.01.28.000106

[2] https://www.cryoseek.org.cn/home/maps/20260421173015A321/

[3] https://www.cryoseek.org.cn/home/maps/20260421172519A305/

[4] Hu, M., Chen, S., Wang, T., Qin, L., Zhang, Q., Zhang, Y., Ge, Q., Chen, T., Li, M., Li, C., Xu, G., Gui, Q., Li, Z., & Yan, N. (2025). High-throughput cryo-EM characterization and automated model building of glycofibrils via CryoSeek .LangTaoShaPreprint Server.https://doi.org/10.65215/bkvrt910

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