2024年3月28日，颜宁等人发表论文《Structure-guided discovery of protein and glycan components in native mastigonemes》, 在莱茵衣藻中发现了3.0 Å分辨率的冷冻电镜结构，揭示了天然纤绒毛（Mastigoneme）内部的超螺旋纤维结构。Mastigoneme具有II型多聚羟脯氨酸螺旋结构（PPII）和核心组分“纤绒毛轴心蛋白”，这是首次揭示该类特殊骨架蛋白的结构，将有助于深入了解糖生物学领域的关键分子——糖和脂类在细胞内功能的重要性和立体化学复杂性，进而推进相关疾病诊断和治疗的研究。

探究天然纤绒毛(Mastigoneme)中的结晶与超螺旋结构：发现并解析II型多聚羟脯氨酸螺旋及其作用

日期：2024年3月28日

近年来，科学家们对于自然界的多样性及其对生命活动的深刻影响产生了极大的兴趣。近日，一群研究人员在《Nature Structural Biology》杂志上发表了一篇引人入胜的论文，揭示了天然纤绒毛（Mastigoneme）中的结晶与超螺旋结构。这一发现不仅为我们理解糖生物学领域内的重要分子——糖和脂类在细胞内功能的重要性和立体化学复杂性提供了一个全新的视角，也对于我们精准地诊断和治疗相关疾病具有重要的科学价值。
论文的第一部分详细介绍了研究人员利用冷冻电镜技术，对莱茵衣藻细胞内的原生质体进行了高分辨率的冷冻电镜分析。莱茵衣藻是全球最著名的真核植物之一，其体内富含大量的蛋白质和脂类，其中天然纤绒毛是构成这种生物多样性的核心成分之一。在本文中，研究人员通过冷冻电镜技术观察到了多种类型的纤维素和脂肪分子在该细胞中的排列模式，并成功构建出了相应的三维重构图像。这些重构图像包含了丰富的结晶和超螺旋结构信息，展示了天然纤绒毛的精细立体形态。
通过对这些结晶和超螺旋结构的深入研究，研究人员发现Mastigoneme的Ⅱ型多聚羟脯氨酸螺旋结构(PPII)在其中起到了至关重要的作用。PPII是一种由二十二肽构成的超螺旋结构，具有高度的稳定性、选择性和顺磁性。它广泛存在于生物大分子中，如蛋白质、核酸、神经递质等，且通常呈αβ折叠状态。在天然纤绒毛中，PPII结构的存在使其呈现出一种特殊的圆形构象，即“薄片”形，这与传统的β折叠结构有着明显的区别。这种特殊的结构使得天然纤绒毛具有独特的水溶性和固定性，使得其能够在水中保持稳定而不被溶解，同时也能与其他物质如蛋白质和脂肪进行交联，形成复杂的纤维网状结构。
这项发现进一步揭示了天然纤绒毛的主要生物功能。纤维素是维持植物细胞壁的主要成分，其主要功能包括支撑细胞器的运动、固定相邻细胞间的信息传递以及调节细胞内外环境的平衡。而PPII结构的发现表明，天然纤绒毛可能通过调整其自身的结构特性来实现对这些生物功能的调控。例如，PPII结构可能通过调控纤维网络的紧密程度或方向，从而影响纤维间的相互作用，从而调节细胞膜的流动性，甚至影响胞外信号通路的途径。
此外，PPII结构的发现也为糖尿病病人的疾病诊断和治疗提供了新的思路。目前，许多糖尿病患者存在代谢异常，导致糖和脂类摄取不足，从而引发一系列的健康问题。通过研究天然纤绒毛的PPII结构，我们或许能够找到一些调控糖和脂类摄取的策略，或者开发出针对这些异常代谢机制的新药靶点。例如，通过改变PPII结构的某些特征，如空间结构的完整性或与特定蛋白质的结合位置，可以诱导胰岛素或抗糖尿病药物进入并发挥作用，从而改善患者的血糖控制水平。
总的来说，这项研究表明了天然纤绒毛作为一个高度复杂生物系统的结晶与超螺旋结构，揭示了其在糖生物学、细胞生理学、疾病防治等领域的重要功能。未来的研究将进一步探讨PPII结构的具体调控机制，以及如何将其应用到实际疾病的诊断和治疗中，这对于深化我们对生命的理解和丰富人类的医学知识具有重要意义。在这个过程中，我们期待有更多的学者加入到这个交叉学科的研究团队中，共同探索生命的奥秘，为我们的健康和福祉做出更大的贡献。