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

糖質（ glycan ）是生命四大基本生物大分子之一，在細胞識別、信號轉導、免疫調控和結構支持等多種生理過程中發揮關鍵作用。 歷史上， 糖質曾常 被統稱為 “ 碳水化合物 ” （ carbohydrates ），這一名稱源于其經典化學表達形式 C x (H 2 O) n ；盡管糖 質研究 可追溯至 19 世紀，但與蛋白質和核酸相比，糖 質科學 的發展長期相對滯后。其根本原因在于：糖質太過復雜，一直缺乏有效的研究手段。糖質的生物合成并不像 DNA 、 RNA 、蛋白質一樣依賴模板，因此缺乏從基因組到糖質序列的對應關系；而高度多樣的單糖組成、復雜的糖苷鍵連接方式和顯著的空間構象異質性，限制了對于復雜糖質復合物的高分辨率三維結構解析。這種結構信息的長期缺失，也在很大程度上阻礙了人類對糖質在多種生理和病理過程中作用機制的深入理解。

2026 年 4 月 24 日， 顏寧 、 黃雋豪 、 閆創業 等在 Science 上發表最新研究成果，論文標題為 “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 絨毛中結構 N- 和 O- 糖質） ” 。研究團隊以金藻Ochromonasdanica的管狀纖絨毛（T-mastigoneme）糖質-蛋白質復合物為研究對象，建立了整合高分辨率冷凍電鏡、糖蛋白質組學與人工智能建模的綜合研究策略，獲得了整體糖質分辨率約2 ?（即0.2納米）， 核心局部最高達 1.8 ? 的超高分辨率三維電鏡密度圖，進一步將天然糖質復合物的研究推進至近原子分辨率層面。

這一分辨率水平使對天然糖質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構依據。在此基礎上，研究者還通過整合結構生物學研究與靶向質譜技術，發現了一類基于 “AND” 基序的新型非經典 N- 糖基化類型，并借助結構聚類搜索揭示了該基序在多種高致病性物種中的進化保守性。與此同時，由顏寧實驗室開發的 AI 自動建模工具 EModelG 顯著提升了糖 質結構 自動建模的效率， 推動糖 質結構 解析從依賴間接片段信息推斷向高精度直接建模轉變，也為復雜天然糖質的大規模結構研究提供了方法學支撐。

圖 1. 高分辨率冷凍電鏡解析揭示管狀 纖 絨毛中結構 N- 和 O- 糖質

進一步的結構分析表明，不同類型的 N- 糖質在該體系中承擔著彼此明確區分、各不相同的結構功能。研究系統提出了三種糖質 介 導大分子組裝的功能模式：其一， “ 糖質縫合 ” （ glycostitch ）通過非經典 AND 基序糖鏈形成規則 螺旋樣構象，穩定重復單元內部的亞基界面；其二， “ 糖質橋 ” （ glycobridge ）主要由高甘露糖型結構 介 導，跨越重復單元形成長程相互作用，并表現出一定的跨物種保守性；其三， “ 糖質島 ” （ glyco -islet ） 以簇狀 方式分布于復合物表面，通過增加表面積和親水性提升整體穩定性與可溶性。這些發現突破了將糖質僅視為蛋白質附屬修飾的傳統認識，表明糖質本身可以直接作為驅動生物大分子折疊與高級組裝的關鍵結構單元。

在 O- 糖 質結構 方面，研究進一步解析了基于 PSXX 四肽重復形成的高級糖質纖維。結構顯示，3,4,5-三羥基脯氨酸（THP）和絲氨酸位點被致 密糖 基化，形成規則排列的表面 “ 糖刺 ” 樣突起，并共同構建出穩定的糖質纖維骨架。 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成的復雜 O- 糖質折疊形式。 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絡和多價陽離子配位中心。這些此前難以被直接觀測的結構因素，通過氫鍵網絡和配位作用顯著增強了糖質之間的相互作用。其中，金屬陽離子可 介 導跨越重復單元的八配位網絡，增強糖質螺旋核心的機械剛性，并伴隨特征性的甘露糖 “ 扭船式 ” 構象翻轉，以實現局部能量補償， 為理解復雜糖質裝配體穩定性的物理化學基礎提供了直接實驗依據。

圖 2. 共價修飾、水分子以及金屬離子在糖質螺旋組裝中的結構作用

綜上，本研究實現了對天然糖質從化學組成到空間構象的直接解析，提出了一系列新型糖質組裝元件，如“糖質縫合”（glycostitch）、“糖質橋”（glycobridge）和“糖質島”（glyco-islet），系統揭示了糖質在生物大分子高級組裝中的結構性作用，為復雜糖質高級結構的發現、鑒定與工程化利用提供了新的方法學框架，標志著糖質結構生物學正進入原子分辨率解析的新階段。

深圳醫學科學院創始院長、深圳灣實驗室主任 顏寧 ，清華大學生命學院博士生 黃雋豪 、副教授 閆創業 為本文的共同通訊作者。 黃雋豪 、水木學者 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。深圳醫學科學院生物結構解析平臺、高性能計算平臺提供了電鏡數據采集和計算支撐。實驗的質譜鑒定工作得到了清華大學蛋白質化學與組學平臺、深圳醫學科學院人類免疫學研究所盛心磊研究員的支持。

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

本研究中所報道解析的糖纖維結構及其對應的冷凍電鏡密度圖目前已上傳至 CryoSeek 數據庫 （ Cryoseek.org.cn ；結構和電鏡密度圖詳見【2, 3】) 。 CryoSeek 數據庫是由顏寧團隊依托深圳醫學科學院建立，系統收錄了以糖質為代表的 “ 生命暗物質 ” 的結構與鑒定成果，并提供在線服務，從而更好地支持糖質等相關結構數據的管理與共享，服務于科研界。 CryoSeek 數據庫以及高通量 CryoSeek 結構測定技術體系的相關研究成果已 發布于浪淘沙 預印本平臺【4】。

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

制版人： 十一

參考文獻

[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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