破解肌肉“桥梁”密码 ——西湖大学最新Nature解析DGC冷冻电镜结构

我们的肌肉就像是由许多小工人（肌细胞）组成的团队，在日常活动中，走路、跑步、举重等，都离不开这些小工人需要相互协作；但在肌营养不良症（Muscular Dystrophy）患者体内，他们却工作效率越来越低、甚至无法正常工作，表现为进行性肌无力和退化。其中杜氏肌营养不良症(Duchenne Muscular Dystrophy, DMD)，一种常见的遗传性神经肌肉疾病，是肌营养不良症中最常见且最严重的亚型：3-5岁儿童走路年龄推迟、行走缓慢、易跌倒；随着时间的推移，患者出现肌肉萎缩，最终因呼吸或心力衰竭而死亡。

虽然被称为“营养不良”，但是疾病却是由遗传因素引起的。肌营养不良蛋白-糖蛋白复合物（dystrophin glycoprotein complex，DGC）是肌营养不良症的核心关联蛋白，DGC成分的突变已被确定为人类多种类型肌肉萎缩症的主要原因，其突变的基因位于X染色体上，为X连锁隐性遗传。

作为一种多聚体复合物，DGC由细胞质肌营养不良蛋白亚复合物（the cytosolic dystrophin subcomplex）、肌营养不良蛋白亚复合物（the dystroglycan subcomplex）和肌聚糖-肌跨亚复合物（the sarcoglycan–sarcospan subcomplex）三部分组成。

像桥梁一样，DGC有重要功能：

可以想象，一旦肌营养不良蛋白突变，将在机体引发严重后果。

遗憾的是，目前，杜氏肌营养不良症尚无高效精准的治愈方法，而针对DGC的研究将对于深入理解肌营养不良症的发病机制和开发相应的治疗方法具有重要的意义。2024年12月12日，西湖大学吴建平团队联合闫浈团队在Nature上在线发表题为“Structure and assembly of the dystrophin glycoprotein complex”的文章，使用冷冻电镜首次报道了肌营养不良蛋白糖蛋白复合物的高分辨结构。团队从小鼠骨骼肌组织中分离出了天然内源性DGC复合体，利用高分辨率的完整结构解析，在DGC的组装、机械传导功能以及与肌营养不良症相关突变的发病机制提出了有价值的、全新的方向，填补了该领域的空白。

研究人员从小鼠骨骼肌中提取纯化DGC样本，验证了其完整性。采集冷冻电镜数据并校正建模，研究首先呈现了DGC的高分辨率结构（分辨率3.2-3.5 Å），包括9个成分，包括α-肌聚糖（sarcoglycans），β-肌聚糖，γ-肌聚糖和δ-肌聚糖，肌营养不良蛋白（dystrophin），小肌营养蛋白（dystrobrevin），sarcospan，α- 肌营养不良蛋白聚糖（α-DG）, β- 肌营养不良蛋白聚糖（β-DG）（图1）。

此外，结构还鉴定了多个糖基化修饰（图1左绿色部分）及参与介导蛋白相互作用的脂类分子（图1左红色部分）。DGC整体呈现瘦长的结构特征，具有较大的胞外结构域。这种结构有助于与ECM蛋白和细胞内相关蛋白有效接触，从而实现其连接细胞膜两侧的作用。

研究人员还分析了 DGC 结构的各个方面，包括 ECD tower 的结构及其附着结构、跨膜螺旋的组装方式、与其他跨膜辅助蛋白的相互作用。

ECD塔（ECD tower）是DGC中一个独特的结构，由β-、γ-和δ-肌球蛋白糖蛋白共折叠形成（图1中间蓝色、黄色、青色部分）。它位于细胞外，并与其他 DGC 成分相互作用，在复合体组装中起着核心作用。与之相互作用的还有肌糖蛋白的细胞外域 (492-712) 和α-肌球蛋白 (24-253)两个附着域。

DGC以跨膜螺旋的方式组装（图2），肌聚糖蛋白和 sarcospan 不直接相互作用，而是像两只手一样，分别位于β-DG 的单跨膜螺旋两侧，拉起β-DG而形成了一个稳定的核心结构，能够有效地连接 ECM 和细胞骨架，并在肌肉收缩过程中传递力量。

此外，DGC还与其他跨膜辅助蛋白 (DAPs) 相互作用，其中肌营养不良蛋白主要以ZZ域，和β-SG、γ-SG 和 β-DG 具有广泛的相互作用，包括疏水相互作用、氢键和锌离子协调。

DGC的结构和功能对于维持肌肉健康至关重要，因而其成分的突变会导致肌肉疾病，文章最后使用结构信息解释了与肌营养不良相关的突变位点，并讨论了这些突变如何影响DGC的组装和功能（图3）。

为了验证，研究团队在体外表达了a-肌糖的膜外区部分，并在此基础上测试突变体对蛋白表达和性质的影响，所有测试的位于其上的单点致病突变均会影响蛋白的表达或稳定性。这为理解部分肌营养不良症的致病机制提供了深入见解。

DGC是治疗多种肌营养不良和其他相关疾病的有希望的治疗靶点，研究者对DGC的研究具有重要的生理和临床意义。之前由于缺乏完整复合物的高分辨率结构信息，人们对DGC如何组装及其功能的分子机制的理解受到极大限制。

本文使用冷冻电镜技术，清晰展现该结构，并在许多方面颠覆了人们先前对DGC组分组装模式的理解（图4）。不仅如此，在结构的帮助下，研究团队可以探索其致病机制，并针对靶点进行药物的有效开发。冷冻电镜作为结构生物学领域的一颗璀璨明珠，其技术的蓬勃发展极大地推动了我们对分子、细胞等结构的深入认识。它不仅使结构解析变得更加高效和精确，还促进了生物学、物理学、化学以及计算机科学等多个学科的交叉融合，共同探索生命的奥秘。

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