糖的化學復雜性以及非模板式的生物合成過程給建立序列-結構關系帶來了巨大挑戰。

2026年4月23日，深圳醫學科學院/深圳灣實驗室顏寧，清華大學黃雋豪及閆創業共同通訊在Science在線發表題為“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構，這些結構的分辨率為 1.8 - 2.2 埃。

在高半乳糖型和復雜 N-糖鏈之外，該研究還發現了一個在 Ala-Asn-Asp（AND）基序上的非標準 N-糖鏈。表面突起由密集的 O-糖鏈覆蓋著 PSXX 四肽重復序列，每個重復序列上有兩個糖鏈連接在三羥基脯氨酸上，還有一個在絲氨酸上。除了各種類型的糖及其共價修飾物之外，水分子（占已解析體積的 10%以上）和陽離子也清晰可見，并且它們介導了結構的組裝。總之，該研究為研究高階生物組裝中的糖折疊提供了框架。

在生命科學領域，糖類（碳水化合物）是最后一個尚未被完全破譯的“暗物質”。它們不僅提供能量，更在細胞識別、免疫反應、信號傳導等核心生命過程中扮演關鍵角色。然而，由于其結構的極端復雜性、高度柔性和非模板化合成的特性，科學家一直難以在天然狀態下解析其高分辨率三維結構，極大地限制了對糖類生物學機制的深入理解。

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

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

技術革命：當冷凍電鏡遇見AI建模

研究的突破首先源于方法學的融合創新。面對糖鏈結構建模的“噩夢級”挑戰，團隊開發了名為EModelG的人工智能（AI）自動化建模管道。這個“AI助手”能夠高效、準確地根據cryo-EM獲得的高分辨率三維密度圖，自動構建糖鏈的原子模型。結合質譜化學分析進行驗證，這套綜合工作流程解決了長期困擾糖生物學的結構解析難題。

核心發現：糖類結構的“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圖，帶來三大關鍵發現：

1. 多樣化的糖鏈“工具箱”：結構圖清晰地展示了多種類型的N-連接和O-連接糖鏈，包括一種非標準形式的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”，將相鄰糖鏈交聯成穩定的晶格結構，闡明了糖鏈組裝成高級結構的化學基礎。
2. 未知蛋白質的“骨架”：結構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出規律性的重復序列，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”支撐復雜糖結構提供了模板。
3. 結構與功能的關鍵“介質”：高分辨率圖譜還揭示了一個廣泛且高度有序的水分子網絡，其體積占整個結構模型的10%以上。這些水分子并非無序存在，而是構成了穩定結構與行使功能所必需的氫鍵網絡，是理解糖類生物功能的又一關鍵。

深遠意義：確立新模式與打開新視野

這項研究的意義超越了一個特定結構的解析。它成功將奧克羅莫納斯·丹卡確立為研究“糖類的序列-結構-功能關系”的理想模式生物。更重要的是，它所建立并驗證的“高分辨冷凍電鏡成像 + AI自動化建模 + 質譜驗證”綜合工作流程，為系統性解析各種復雜天然糖類結構鋪平了道路。這項突破性進展，標志著糖生物學正從“化學組成分析”邁入“高分辨率結構生物學”的新時代，為未來開發基于糖結構的藥物、疫苗和生物材料奠定了堅實的分子基礎。

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。本研究得到了國家自然科學基金“破譯生命的糖質密碼”重大研究計劃，國家自然科學基金青年學生基礎研究項目，北京生物結構前沿研究中心與清華-北大生命科學聯合中心的經費支持。同時，特別感謝鵬瑞基金會捐贈的“邁瑞教授”經費對顏寧研究工作給予的支持。

參考消息：

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