最初出现轻微运动障碍，跑步、跳跃等动作变得吃力，后期逐渐出现无法行走、肢体无法正常抬起，需要借助轮椅行动，最终可能因呼吸衰竭或心力衰竭而死亡……
这段描述描写的是，杜氏肌营养不良症患者的一生。杜氏肌营养不良症（Duchenne Muscular Dystrophy, DMD），简称DMD，是一种严重的遗传性神经肌肉病，也是十分常见的致死性遗传病之一。
遗憾的是，这个疾病目前“无药可医”。
近日，西湖大学研究团队在该疾病的核心蛋白研究方面有了新突破。
北京时间2024年12月11日，西湖大学、西湖实验室吴建平团队联合闫浈团队在Nature在线发表题为“Structure and assembly of the dystrophin glycoprotein complex”的论文（图1），首次“看清”了肌营养不良症的核心蛋白，揭开了肌营养不良蛋白糖蛋白复合体（Dystrophin Glycoprotein Complex, DGC）的神秘面纱，展示了其独特的结构特征，填补了该领域近三十年的重要空白。这一发现为理解肌营养不良症的发病机制提供了全新的见解。
图1. 论文截图
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08310-2
如果，肌营养不良蛋白出了问题……
本次研究的其中一个主角，是一个名为Dystrophin的蛋白，全称肌营养不良蛋白。
如果你对这个蛋白不熟悉，但是从名字中也可以猜测，这个蛋白跟肌肉有着密不可分的关系。
没错，肌营养不良蛋白是一种重要的细胞骨架蛋白，主要存在于骨骼肌和心肌细胞中，对维持肌肉细胞的结构和功能起着至关重要的作用。
但仅仅靠Dystrophin一种蛋白来维持细胞结构的稳定还不够，它在体内与多个蛋白相互作用，形成DGC复合体，也就是肌营养不良蛋白糖蛋白复合体（Dystrophin Glycoprotein Complex, DGC）。这个复合体主要分布在肌肉组织和神经系统。
如果说，肌肉细胞是一栋高楼大厦，那么DGC复合体既是大厦的“减震器”，也是“通讯设备”。当肌肉收缩时，会产生巨大的机械力，DGC复合体在细胞外侧与细胞外基质相互作用，在细胞内侧通过肌营养不良蛋白与细胞骨架连接，是连接细胞内外的纽带，就像一个高效的减震器，可以吸收和分散这些机械力，进而帮助保护和维持肌肉细胞膜的完整性和稳定性。同时，DGC复合体也具备信号传导的作用，影响细胞的生长、分化和存活。
如此重要的蛋白，一旦出问题了怎么办？
肌营养不良症，就与这个蛋白复合体上的突变有关。这是一类由遗传因素引起的进行性肌肉无力和退化性疾病，主要影响骨骼肌、心肌等肌肉组织。除了最常见的杜氏肌营养不良症之外，这个蛋白复合体的组分突变还会引起其他类型的肌营养不良症，包括贝氏肌营养不良症（BMD）、肢带型肌营养不良症（LGMD）、先天性肌营养不良症（CMD）等。
图2. 杜氏肌营养不良临床表现
遗憾的是，这些因为DGC蛋白组分突变导致的肌营养不良症，目前暂时没有高效精准的根治方法。
药物研发长途漫漫，但是首先，我们需要“知己知彼”，看清这个复合体的样貌，才能了解突变的潜在致病机制，并找到进攻的精准靶点。
首次看清！DGC复合体“庐山真面目”
DGC复合体在生理和病理上都非常重要，其结构研究一直是科学家们长期努力的目标。但由于DGC复合体十分复杂，其完整结构的研究进展缓慢，仅有个别组分的局部亚基结构被报道，自上世纪八十年代被发现以来，还没有人能真正看清楚它的“庐山真面目“。
来自西湖大学生命科学学院的年轻科学家们——吴建平团队和闫浈团队——成功从小鼠骨骼肌组织中分离出了天然内源性DGC复合体，并利用冷冻电镜技术解析了其高分辨率结构（分辨率3.2-3.5 Å）首次看清了这个复合体的全貌，填补了该领域近三十年的空白。
那么，这个复合体究竟长什么样？（图3）一起来看看。
图3. 骨骼肌内源DGC复合体高分辨结构电子密度图
通过复合体高分辨结构图片可以看到，DGC复合体整体呈现瘦长的样子，像一座“桥”横跨在细胞膜上，并且伸出细胞膜外部的结构域占较大比重。
不同的颜色代表了不同的组成部分，这个复合体共包含9个蛋白组分。其中，β-、γ-和δ- sarcoglycans（图3蓝色、黄色、青色部分）三个组分通过β-strand共折叠的方式形成独特的β-螺旋塔状结构，称为“ECD塔”，这个塔是首次被发现的。结构决定功能，观察这座神奇的“塔“，可以发现，它就像一个坚实的承重柱牢牢地插在细胞膜上，不仅能够稳定复合体的胞外结构域，也为另外两个关键蛋白组分提供了支撑位点，即上图卡其色部分（α-dystroglycan）和粉色部分（α-sarcoglycan），这为复合体建立细胞内外的机械传导过程提供了重要的分子基础。
在看清这个复合体的结构之后，研究团队还与此前推测的模型进行对比，发现了很多不同之处，颠覆了以往的认知。
图4. 先前猜测的DGC组装模型（左）和结构解析出的DGC组装模型（右）对比
比如，对于关键蛋白组分的排列有了全新的理解。仔细看图4，曾经，科学界普遍认为，图4左侧插在细胞膜上的紫色、粉色、蓝色、黄色、浅绿色五个部分（sarcoglycans和sarcospan），构成了DGC复合体中的一个外围亚复合体。但是，在新解析的结构中，这些组成部分并没有直接相互作用，而是分别位于右侧棕色部分（β-dystroglycan，β-DG）的两侧，就像一对脚手架，帮助稳定它。
再如，对于肌营养不养蛋白与哪些蛋白连接有了全新的认知。先前认为肌营养不良蛋白是通过连接图4左侧卡其色部分（β-dystroglycan）直接作用，但是看清结构后发现，它更主要通过组成ECD塔的sarcoglycans发生紧密相互作用（图4右侧黄色、蓝色、浅绿色），进而帮助胞内的dystrophin固定在细胞膜上发挥功能。
关于疾病，这项研究能做些什么？
在看清结构之后，研究团队回到疾病本身，研究了与肌营养不良症相关的致病突变位点在哪里。
他们分析了过去几十年临床研究中积累的大量与肌营养不良症相关的突变位点数据，发现与肌营养不良症相关的致病突变大多分布于三个区域——ECD塔、a-sarcoglycan以及dystrophin与其他蛋白的作用界面，即图5a中圈出的淡粉色区域，这表明这些特定区域对于DGC发挥正常功能具有重要作用。
研究团队重点分析了临床上引起严重表型的肌营养不良症的突变，发现这些突变往往位于蛋白亚基的相互作用界面和ECD塔的内部（图5c，d）。基于结构分析，研究团队进行了后续生化实验，进一步证实了这些突变会破坏蛋白质内部的相互作用或影响蛋白的稳定性，进而引发疾病。这为相关肌营养不良症的致病机制提供了深入的见解。
图5. 肌营养不良症相关的突变位点分布及潜在致病机制
此外，该研究也为开发肌营养不良症的基因治疗方案提供新线索。
目前针对DMD患者的治疗手段非常有限，一种通用策略是通过基因治疗来修补功能异常的肌营养不良蛋白。但是，这个蛋白的基因是人体最长的基因之一，总长度约有2.2Mb，所编码的蛋白包含了3685个氨基酸，完整递送如此长的基因去替换致病基因十分困难。
为此，科学家尝试利用精简版的micro-dystrophin来代替全长蛋白。如何选择合适的micro-dystrophin是基因治疗的一个关键问题。研究团队所解析的结构显示，在dystrophin上占全长不足1/10长度的CR区域（cysteine-rich domain，图3橙色区域）是dystrophin参与DGC组装最核心区域。该结果为设计更加合理有效的micro-dystrophin提供了重要参考。未来，这个结构所提供的重要线索，或许能为肌营养不良症的治疗带来新的希望。
吴建平团队和闫浈团队的研究，揭开了肌营养不良症核心蛋白的神秘面纱。诚然，此刻的我们尚无法确定是否能够从中找到治愈的良药，但至少，这是充满希望的一步。
西湖实验室开拓学者万里、清华大学生命科学学院博士毕业生葛霄飞、西湖大学博士生许祺奎、西湖实验室副研究员黄高兴宇为本文共同第一作者。西湖大学特聘研究员吴建平、闫浈为本文共同通讯作者。美国爱荷华大学Kevin P. Campbell教授和杨天帝博士参与了该工作。西湖大学冷冻电镜平台、高性能计算中心、质谱平台以及实验动物中心为研究提供了技术支持。该研究获得了国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金委、西湖大学和西湖实验室的经费资助。
从左至右：吴建平、闫浈、万里
吴建平博士和闫浈博士在建立独立实验室前曾合作揭示了骨骼肌兴奋收缩偶联通路的关键分子基础（电压门控钙离子通道Cav1.1和钙离子释放通道RyR1）。本项目是两位研究员分别建立独立实验室后再次合作，利用结构生物学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，两个团队近年来还分别在生殖生物学和植物蛋白转运方面取得了重要进展。以下为团队简介：
吴建平团队简介：
吴建平课题组致力于生命过程中关键蛋白的结构与功能研究，特别关注受精过程的结构基础，揭示受精过程的机理，帮助理解生命诞生的基本过程，并为不孕不育症的诊断、治疗和药物开发提供新思路。（相关阅读：，）课题组长期招聘对生物化学、结构生物学、生殖生物学、生物信息学、电生理等方向感兴趣的成员。期待与有志青年学者共同探索生命的奥秘！
联系方式：wujianping@westlake.edu.cn。
闫浈团队简介：
闫浈课题组综合运用生物化学、基因编辑、生物信息学、单颗粒冷冻电镜技术、人工智能建模、原位冷冻电子断层扫描等多元技术手段，致力于揭示重要蛋白复合体的工作机制，特别聚焦于叶绿体的发生、发育与稳态调节。（相关阅读：，）课题组广泛招纳具有相关背景的研究系列人员、博士后、科研助理，同时接收本科或硕士起点的博士研究生，并热忱欢迎优秀的本科生加入，参与毕业设计项目。课题组将依据每位成员的专业背景和职业发展蓝图，定制个性化的培养方案，悉心培育未来的科研精英。加入我们的实验室，开启你的科学探索之旅，让我们一起创造更多可能！
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来源：西湖大学
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