顏寧院士團隊連發兩篇

11 月 2 日，十五運會火炬傳遞在深圳啟動。中國科學院院士、深圳醫學科學院創始院長顏寧，手持火炬跑過深圳前海石。

圖源：深圳醫學科學院微博

火炬傳遞結束后，顏寧接受采訪表示，實現夢想的每一步都是完美契合的，要腳踏實地地把夢想變為現實。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?！?br/>

近年來，顏寧團隊提出了「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現工具。因此，CryoSeek 策略或代表一種「前向結構生物學」研究，即以結構為先導的生物學發現范式。

在前期研究中，顏寧團隊結合冷凍電鏡技術、AI 輔助的自動建模以及生物信息學分析，報道了來自清華大學荷塘環境樣品的一種纖維蛋白結構 TLP-1，并對其來源和潛在功能進行了推測。隨后的研究進一步鑒定出一種新型糖纖維結構 TLP-4，其核心是由四肽重復序列組成的線性多肽，外圍被厚厚的糖鏈包裹。四肽重復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構組裝過程中的重要作用，也為天然糖質的發現與結構解析提供了新思路 [1,2,3]。

糖在生命活動中扮演著能量供給、細胞信號傳導、免疫識別等至關重要的角色，其多維功能依賴于其獨特的立體結構。然而，與核酸和蛋白質相比，糖的結構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雜多變，且結構高度柔性，使得其高分辨率三維結構的解析異常困難，嚴重限制了我們對其結構與功能的深入理解。

在利用冷凍電鏡解析結構時，會面臨一個根本性挑戰：冷凍電鏡成像丟失了結構的「絕對手性」信息，這導致最終重構得到的三維密度圖存在「鏡像顛倒」的兩種可能。對于蛋白質，科學家可利用其 α-螺旋均為右旋這一先驗知識來校正。但糖質纖維主要由糖構成，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」，使得構建正確的原子模型寸步難行。

此前，解決該問題的經典方法是「傾轉對」成像技術，但它需要預先知道樣品的參考結構，并對同一區域進行兩次成像。對于從自然水體等環境中直接獲取的、可能包含上百種不同糖質纖維結構的高異質性樣品而言，傳統方法幾乎無法應用。

北京時間 2025 年 10 月，顏寧團隊、胡名旭團隊及其合作者在預印本網站BioRxiv發布兩項最新研究成果，論文標題分別為

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

「冷凍電子顯微學中自然來源糖質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「荷糖月色」研究計劃，團隊在后續的數據處理中解析了另外五種全新的糖纖維結構，揭示了糖纖維結構在天然環境中的多樣性以及糖質在結構組裝過程中的關鍵作用。與此同時，為解決糖纖維絕對手性判定這一難題，研究團隊合作開發了名為 Ahaha 的新方法，該方法僅需在單角度傾斜的情況下進行常規的冷凍電鏡成像，即可高效、準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（圖 1）。

圖 1. Ahaha 的在線服務頁面

（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構。

圖 2A. 目前，在清華荷塘水樣中共解析出 9 種高分辨率纖維結構，依據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 種糖纖維結構的組成以及其螺旋參數。

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 IPT（Ig?like/plexins/transcription factors）結構域構成可識別的蛋白核心，每個 IPT 結構域外圍被 13 條糖鏈環繞；TLP-12 是由三股高度重復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 由三股三肽重復序列互絞形成蛋白細芯，而 TLP-2 則是一條二肽重復序列構成，它們外圈都被厚厚的一層糖鏈包裹；TLP-0 則完全由糖質組成，「0」表示其不含有蛋白組分。上述研究不僅揭示了天然環境中糖纖維的結構以及組成的多樣性，也表明以 CryoSeek 策略的框架下，結合多學科研究手段，有望為糖質測序以及天然糖質三維結構的高通量、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，研究團隊提出創新算法 Ahaha。Ahaha 的原理如圖 3 所示：互為鏡像的螺旋結構，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當具有相反的傾斜。另一方面，由于螺旋結構的糖質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中的顆粒傾斜與樣品本身的傾斜是否一致，可以決定重構的高分辨率密度圖的手性是否正確。利用 Ahaha，團隊成功對一個天然淡水樣本（喀斯特洞穴中的石筍滴水）中發現的四種糖質纖維完成了絕對手性判定，并據此構建了其精確的原子模型（圖 4），標志著我們對糖這一生命「暗物質」的結構研究邁入了實質性的新階段。該方法的上線將為全球相關領域的研究者提供強大工具（在線服務地址：https://cryoseek.org/ahaha），有望加速推動糖生物學領域的突破性發現。

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

圖 4a. Ahaha 分析了四種糖質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，從而表示其三維結構手性正確，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角（twist）參數與手性相反的初始模型進行螺旋精修時，Ahaha 能夠如預期地給出手性錯誤的結果。

圖 4b. 糖質纖維相鄰兩個螺旋單元，及螺旋對稱參數。

圖 4c. 糖質纖維的原子模型。

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

參考文獻：

[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.

文章和圖片來源： 深圳醫學科學院

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