Nature：西湖大學吳建平/閆湞團隊揭示肌營養不良症的結構基礎

編輯丨王多魚

排版丨水成文

肌營養不良症（Muscular Dystrophy） 是一類由遺傳因素引起的疾病，表現爲進行性肌無力和退化。肌營養不良症有多種亞型，其中杜氏肌營養不良症（Duchenne Muscular Dystrophy，DMD）是最常見且最嚴重的亞型，也是常見的遺傳性神經肌肉病（圖1）。DMD通常由肌營養不良蛋白（dystrophin）基因突變引起，該基因位於X染色體上，爲X連鎖隱性遺傳，因此主要影響男性，女性多爲攜帶者，發病率約爲1/3500。DMD患者在出生至幼兒期發育正常，3-5歲便開始出現步態異常，隨着年齡增長，肌肉逐漸萎縮，需使用輪椅代步，最終通常在20多歲時便因呼吸或心力衰竭而死亡。目前，DMD尚無高效精準的治癒方法。

圖1. 杜氏肌營養不良臨牀表現——肌無力和退化

Dystrophin在體內與多個相互作用蛋白形成肌營養不良蛋白糖蛋白複合體（Dystrophin Glycoprotein Complex，簡稱DGC），主要分佈在肌肉組織和神經系統，在維持細胞結構和完整性、參與信號傳導、提供機械支持和防止細胞損傷等過程中發揮重要作用。DGC在細胞外側與細胞外基質相互作用，在細胞內側通過dystrophin與細胞骨架連接，起到連接細胞內外的橋樑和紐帶的作用。這一特點使得DGC在肌肉收縮過程中能夠有效地傳遞和耗散機械力，進而幫助保護和維持肌肉細胞膜的完整性和穩定性。除了dystrophin突變導致的DMD之外，DGC其他組分的突變還會引起多種肌營養不良症，包括貝氏肌營養不良症（BMD）、肢帶型肌營養不良症（LGMD）、先天性肌營養不良症（CMD）等。因此，針對DGC的研究對於深入理解肌營養不良症的發病機制和開發相應的治療方法具有重要的意義。

2024年12月12日，西湖大學吳建平團隊聯合閆湞團隊在Nature期刊發表了題爲：Structure and assembly of the dystrophin glycoprotein complex 的研究論文。

該研究首次報道了肌營養不良症的核心關聯蛋白——肌營養不良蛋白糖蛋白複合體（Dystrophin Glycoprotein Complex，簡稱DGC）的高分辨結構，爲這一重要複合體的組裝、機械傳導功能以及與肌營養不良症相關突變的發病機制提供了全新見解。

關於DGC的基礎研究以及肌營養不良症的臨牀研究已經積累了三十多年。儘管如此，DGC複合體的結構研究進展緩慢，僅有個別組分的亞基結構被報道，而完整複合體的全貌一直未知，嚴重阻礙了對DGC組裝和功能的全面理解。鑑於DGC在生理和病理上的重要意義，其完整結構的研究一直是科學家們長期追求的目標。

在最新的這項研究中，吳建平團隊和閆湞團隊從小鼠骨骼肌組織中分離出了天然內源性DGC複合體，併成功解析了其高分辨率結構，填補了該領域的空白。

這項研究首次呈現了DGC的高分辨率結構（分辨率3.2-3.5 Å），揭示了總共9個蛋白組分，包括四個sarcoglycan（α-、β-、γ-和δ-），dystrophin，dystrobrevin，sarcospan，和兩個dystroglycan（α-、β-）（圖2）。此外，結構還鑑定了多個糖基化修飾（圖2綠色部分）及參與介導蛋白相互作用的脂類分子（圖2紅色部分）。DGC整體呈現瘦長的結構特徵，具有較大的胞外結構域。其中，β-、γ-和δ- sarcoglycans（圖2藍色、黃色、青色部分）三個組分通過β-strand共摺疊的方式形成獨特的β-螺旋塔狀結構（ECD塔）。這一塔狀結構就像一個堅實的承重柱牢牢地插在細胞膜上，不僅能夠穩定DGC的胞外結構域，而且爲另外兩個關鍵蛋白組分α-dystroglycan（也稱α-DG, 圖2卡其色部分）和α-sarcoglycan（圖2粉色部分）提供了支撐位點。這些蛋白組分又共同與dystrophin（圖2橙色部分）的CR結構域（cysteine-rich domain）在細胞膜內側附近形成廣泛相互作用，爲dystrophin與細胞外的連接提供了結構基礎。

圖2. 小鼠骨骼肌內源DGC複合體高分辨結構電子密度圖

值得一提的是，該結構在許多方面顛覆了人們先前對DGC組分組裝模式的理解（圖3）。例如，先前的模型認爲α-、β-、γ-和δ-sarcoglycans和sarcospan一起構成了DGC中的一個外圍亞複合體。然而，結構顯示sarcoglycans和sarcospan並沒有直接相互作用，而是分別位於β-dystroglycan（也稱β-DG，圖3左淺褐色，圖3右深褐色部分）跨膜螺旋的兩側，進而幫助穩定β-dystroglycan。這其中由β-、γ-和δ-sarcoglycans形成的胞外側ECD塔也是首次報道。此外，相比先前認爲dystrophin與β-dystroglycan互作的模型，結構揭示了sarcoglycans蛋白在參與dystrophin錨定在細胞膜內側的過程中發揮了更爲關鍵的作用。

圖3. 先前的DGC組裝（左）和基於結構研究的DGC組裝（右）的卡通模型對比

該結構爲過去三十年臨牀研究中積累的大量與肌營養不良症相關的突變機制提供了寶貴的見解（圖4）。研究團隊揭示與肌營養不良症相關的致病突變大多分佈於三個區域，包括ECD塔、a-sarcoglycan以及dystrophin與其他蛋白的作用界面，這表明這些特定區域對於DGC發揮正常功能的重要作用。研究團隊重點分析了臨牀上引起嚴重表型的肌營養不良症的突變，發現這些突變往往位於蛋白亞基的相互作用界面和ECD塔的內部（圖4c、d），推測這些突變會破壞蛋白質內部的互作或影響蛋白穩定性。爲此，研究團隊在體外表達了a-sarcoglycan膜外區部分，並在此基礎上測試突變體對蛋白表達和性質的影響，發現所有測試的位於a-sarcoglycan上的單點致病突變均會影響蛋白的表達或穩定性，證實上述猜測。這爲理解部分肌營養不良症的致病機制提供了深入見解。

圖4. 肌營養不良症相關的突變位點分佈及潛在致病機制

此外，該工作爲臨牀開發肌營養不良症的新型基因治療方法提供重要線索。目前針對DMD患者的治療手段非常有限，其中一個策略是通過基因治療方法來修補功能異常的dystrophin蛋白。但是，dystrophin編碼基因是人體最長的基因之一，包括內含子在內的基因總長度約有2.2Mb，編碼的蛋白則包含了3685個氨基酸。完整遞送如此長的基因去替換致病基因，在技術上十分困難。爲此，科學家嘗試利用簡化版的micro-dystrophin來代替全長蛋白。然而如何選擇合適的micro-dystrophin是基因治療的關鍵問題。研究團隊所解析的結構顯示，在dystrophin上佔全長不足1/10長度的CR區域（cysteine-rich domain，圖2橙色區域）是dystrophin參與DGC組裝最核心區域。這爲設計潛在更合理有效的micro-dystrophin提供了重要參考。未來，這個結構所提供的重要線索，或許能爲肌營養不良症的治療帶來新的希望 。

從左至右：吳建平、閆湞、萬里

西湖實驗室開拓學者萬里、清華大學生命科學學院已畢業博士生葛霄飛、西湖大學博士生許祺奎、西湖實驗室副研究員黃高興宇爲論文共同第一作者。西湖大學特聘研究員吳建平、閆湞爲論文共同通訊作者。美國愛荷華大學Kevin P. Campbell教授和楊天帝博士參與了該工作。西湖大學的冷凍電鏡平臺、高性能計算中心、質譜平臺以及實驗動物中心爲研究提供了技術支持。該研究獲得了國家自然科學基金委、浙江省自然科學基金委、西湖大學和西湖實驗室的經費資助 。

吳建平博士和閆湞博士在建立獨立實驗室前曾合作揭示了骨骼肌興奮收縮偶聯通路的關鍵分子基礎（電壓門控鈣離子通道Cav1.1和鈣離子釋放通道RyR1的結構研究）。該項目是兩位研究員分別建立獨立實驗室後再次合作，利用結構生物學手段理解肌肉生理功能方面取得的又一重要突破。除此合作方向外，兩個團隊近年來還分別在生殖生物學和植物蛋白轉運方面取得了重要進展。

以下爲團隊簡介：

吳建平課題組致力於基本生命過程的關鍵蛋白的結構與功能研究，特別關注探索受精過程的結構基礎，以揭示受精過程的機理，幫助理解生命誕生的基本過程，併爲不孕不育症的診斷、治療和藥物開發提供新思路。課題組長期招聘對生物化學、結構生物學、生殖生物學、生物信息學、電生理等方向感興趣的成員。期待與有志青年學者共同探索生命的奧秘！聯繫方式：wujianping@westlake.edu.cn。

閆湞課題組綜合運用生物化學、基因編輯、生物信息學、單顆粒冷凍電鏡技術、人工智能建模、原位冷凍電子斷層掃描等多元技術手段，致力於揭示重要蛋白複合體的工作機制，特別聚焦於葉綠體的發生、發育與穩態調節。課題組廣泛招納具有相關背景的研究系列人員、博士後、科研助理，同時接收本科或碩士起點的博士研究生，並熱忱歡迎優秀的本科生加入，參與畢業設計項目。課題組將依據每位成員的專業背景和職業發展藍圖，定製個性化的培養方案，悉心培育未來的科研精英。加入我們的實驗室，開啓你的科學探索之旅，讓我們一起創造更多可能！聯繫方式：yanzhen@westlake.edu.cn。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08310-2