Science | 闫创业团队首次解析哺乳动物天然胶原近原子层级完整组装机制，揭开糖基化调控纤维形成核心密码|哺乳动物|基化|基质|细胞|胶原纤维|蛋白

2026 年 7 月 31 日， Science 在线刊发清华大学生命科学学院闫创业课题组的研究论文： The molecular architecture of mammalian vitreous body collagen fibrils 。研究以猪玻璃体天然胶原纤维为研究对象，依托特殊解析与建模方案，获得局部分辨率最高可达 2.6 Å 的天然胶原纤维三维结构，完整阐明II、V/XI、IX型胶原与Opticin糖蛋白的分层有序组装路径，首次从原子尺度揭示羟赖氨酸双糖修饰介导胶原纤维有序排布的分子原理，攻克困扰结构生物学数十年的天然胶原高分辨解析难题，为胶原疾病诊疗及胶原生物材料开发奠定核心结构基础。

一、行业难题：天然胶原纤维长期存在结构解析瓶颈

胶原蛋白是哺乳动物细胞外基质占比最高的核心骨架蛋白，支撑骨骼、软骨、皮肤等全部组织【1,2】，人体 90% 胞外基质干重均由胶原构成。过去七十余年，学界通过 X 射线晶体学获得胶原短肽片段结构【3-5】，而完整原生胶原纤维高分辨三维信息始终空白。

制约瓶颈源于胶原天然的多重复杂性：胶原纤维直径不均一、分子线性且高度动态柔性、包含多种胶原亚型与基质蛋白、携带大量异质性糖基修饰；体外重组片段无法复刻组织内天然多层级组装模式，难以解释纤维尺寸、透光性、力学稳定性的调控机制，也阻碍人类对玻璃体病变、骨关节炎、皮肤纤维化等疾病的致病机理研究。

为突破这一困境，团队选取猪玻璃体作为理想研究模型：玻璃体胶原纤维直径均一稳定（约 16 nm ）、长度超 10 μm ，组分清晰，大幅降低了冷冻电镜三维重构难度。结合适配长周期丝状大分子的数据处理流程，团队有效提升了整体与局部解析分辨率。同时，极为复杂的分子交织、高度同质化三股螺旋形态以及高异质性分辨率尺度，极大地限制了胶原分子鉴定与序列空间指认。现有人工智能建模工具均在胶原建模上的表现不佳，最终团队通过复杂推演与人工建模，实现天然完整胶原纤维完整周期的近原子分辨率重构，总建模氨基酸与糖残基超 43000 个，包括来源不同的 216 条胶原片段， 7 种不同胶原蛋白，对应分子总质量超过 4.5 MDa（图1）。

二、核心科学突破：完整揭示玻璃体胶原分层模板式组装全过程

本次研究首次清晰还原天然胶原纤维内核 - 外壳同心分层三级有序组装架构，精准量化 67 nm 特征周期内全部分子（ II 型： V/XI 型： IX 型： Opticin =8:4:4:4 ），拆解循序渐进的组装步骤（图2）：

图 2 玻璃体胶原的组装过程

1. V/XI型胶原构成纤维成核内核

异源三聚体 [α 1 (V)α 2 (V)α 1 (XI)] 相互交错缠绕，跨 4.3 个 67 nm 周期，形成 300 nm 连续骨架，是整个纤维组装的起始模板。内核通过多重分子作用力紧密锁合，严格限定后续外层胶原横向聚合尺寸，将纤维直径稳定控制在可见光波长以下，是玻璃体保持透明的核心结构基础。

2. II型胶原反向包裹形成外层骨架

同源三聚 [α 1 (II)]₃ 以与内核 V/XI 相反的 N-C 取向环绕内核堆叠，构成纤维主体外壳，决定纤维整体直径区间 14–16 nm ； II 型胶原表面预留特异性结合界面，为 IX 型胶原与 Opticin 锚定提供结合位点。

3. IX型胶原与Opticin修饰纤维表面

IX [α 1 (IX)α 2 (IX)α 3 (IX)] 型胶原、富亮氨酸糖蛋白 Opticin 规律性结合于 II 型胶原外侧， IX 胶原带负电硫酸糖胺聚糖链产生静电排斥，避免多根纤维粘连聚集； Opticin 作为调控分子，精细修饰纤维表面理化性质，共同维持玻璃体凝胶水润、透光的生理特性。

此外，对比玻璃体与软骨 IX型胶原在组成上的差异，团队发现玻璃体IX型胶原缺失标志性 NC4 结构域，同时具有延伸的硫酸化糖链，因而演化出适配眼部透明基质独有的组装调控模式【6】。这一发现揭示了这两种组织胶原功能分化的结构根源。

三、里程碑发现：羟赖氨酸双糖是胶原组装的“分子间隔器”

糖基化如何调控胶原纤维，是长期悬而未决的关键科学问题。本研究直接观测到遍布胶原三螺旋的半乳糖 — 葡萄糖二糖修饰，锁定保守 - Gly-X- Hyl - 序列羟赖氨酸（ Hydro xy lysine， Hyl ）为核心 O- 糖基化位点，系统阐明糖链的多重核心功能（图3）。

图 3 糖基化介导的胶原组装

1. 精准调控链间间距，维持螺旋规整堆叠

双糖呈垂直交叉立体构象，通过糖 — 蛋白、糖 — 糖间氢键、疏水作用在相邻三螺旋之间搭建隔离屏障，防止分子过度致密堆积，从纳米尺度调控纤维密度与折射率，大幅减少光散射，保障玻璃体透明（图3A）。

2. 构建全域稳定网络，维持纤维力学韧性

糖链在三重螺旋侧面形成遍布全域的相互作用网络，弥补和调控肽链间作用力。大量双糖修饰，有效增强整体结构稳定性，提升纤维水和能力，并降低致密程度，支撑玻璃体 98% 以上含水量的凝胶态结构（图3A、D-F）。

3. 修饰模式决定纤维异质性

糖基化可单侧、双侧、三侧修饰同一三股螺旋，连续 -Gly-X- Hyl - 位点还会形成串联糖阵列，多样化糖修饰组合适配不同胶原亚型的组装需求，参与调控不同组织胶原纤维粗细、硬度，构成差异化的分子底层逻辑之一（图3C）。

这一发现推翻过往仅将糖修饰作为次要修饰的认知，证实双糖修饰是胶原高级组装不可或缺的核心调控元件，完整建立翻译后糖修饰与多层级纤维架构及组织生理功能 ” 的分子逻辑链。

四、潜在科学与应用价值

（一）基础结构生物学：补齐胶原超分子组装理论空白

该成果是全球首个原生多组分胶原纤维近原子分辨率完整结构，补充了过往单一片段模型的片面认知，完善了 70 年来胶原三螺旋向宏观纤维逐级组装的理论；同时建立长柔性丝状天然大分子冷冻电镜标准化解析技术流程，为肌腱、软骨、皮肤等各类复杂胞外纤维结构解析提供了新的思路。

（二）演化与细胞基质研究：阐明胶原组织分化逻辑

研究揭示不同胶原的构成差异与分子匹配的结构基础，对解释脊椎动物纤维胶原亚型分化、糖修饰协同演化规律提供了新的起点。同时，该成果揭示了关键细胞外基质组分，深化了对细胞外基质调控细胞分化、组织形态建成的底层认知。

（三）医学临床：为玻璃体病变、结缔组织病提供结构靶点

玻璃体液化、视网膜脱离、老年性眼病均与胶原纤维降解、糖修饰紊乱直接相关；本研究明确主要分子结合界面与糖修饰关键位点，为眼部退行性疾病、遗传性胶原缺陷病的致病突变机制解析、未来小分子靶向干预提供精准模板；骨关节炎、皮肤纤维化等结缔组织病变，也可依托该组装模型开展病理机制研究。

（四）生物材料工程：指导高性能人工胶原支架设计

基于内核成核、糖基间隔、分层组装规律，未来有可能定向设计可控直径、高透光、高韧性人工胶原材料，应用人工玻璃体、软骨修复、皮肤再生敷料、组织工程支架等领域，推动仿生医用胶原材料从经验制备走向结构精准理性设计。

本论文第一作者为清华大学生命科学学院博士研究生娄鑫垚，丛野博士为共同第一和共同通讯作者，博士研究生许雨茜为共同第一作者，实验室博士生刘雅昭和清华大学冷冻电镜平台李英工程师对本研究提供了重要帮助。论文最后通讯作者为清华大学闫创业副教授，清华 - 北大联合中心研究员。研究依托北京生物结构前沿研究中心、清华大学膜生物学国家重点实验室、清华北大联合生命科学中心冷冻电镜平台完成。

science.org/doi/10.1126/science.aec2906

参考文献：

1.B. Sun , Cell Rep. Phys. Sci. 2 , 100515 ( 2021 ).

2.K. Gelse , E. Pöschl , T. Aigner , Adv. Drug Deliv. Rev. 55 , 1531 – 1546 ( 2003 ).

3.G. N. Ramachandran , G. Kartha , Nature 174 , 269 – 270 ( 1954 ).

4.G. N. Ramachandran , Nature 177 , 710 – 711 ( 1956 ).

5.J. Bella , M. Eaton , B. Brodsky , H. M. Berman , Science 266 , 75 – 81 ( 1994 ).

6.R. G. Brewton , D. W. Wright , R. Mayne , J. Biol. Chem. 266 , 4752 – 4757 ( 1991 ).

制版人：十一

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（*排名不分先后）