肌营养不良蛋白糖蛋白复合物（dystrophin glycoprotein complex，DGC）通过连接细胞内细胞骨架和周围的细胞外基质，在维持细胞膜的稳定性和完整性方面起着至关重要的作用。肌营养不良蛋白及其相关蛋白的功能障碍导致肌肉营养不良，这是一种以进行性肌肉无力和变性为特征的疾病。尽管DGC在生理和病理中发挥着重要作用，但其结构细节在很大程度上仍然未知，阻碍了对其组装和功能的全面了解。
2024年12月11日，西湖大学吴建平及闫浈共同通讯在Nature在线发表题为“Structure and assembly of the dystrophin glycoprotein complex”的研究论文，该研究从小鼠骨骼肌中分离了天然DGC，获得了其高分辨率结构。该研究揭示了一个明显不同的DGC组装模型结构。
具体来说，在细胞外，β-、γ-和δ-sarcoglycans共同折叠形成一个特化的细胞外塔状结构，它通过为α-sarcoglycans和dystroglycan提供结合位点，在复杂的组装中起着核心作用。在跨膜区域，sarcoglycans及 sarcospan包围并稳定了单跨膜螺旋的dystroglycan，而不是像之前提出的那样形成亚复合物。在细胞内，sarcoglycans及dystroglycan通过与肌营养不良蛋白的ZZ结构域的广泛相互作用，与dystrophin–dystrobrevin亚复合物进行组装。总的来说，这些发现增强了我们对细胞膜结构联系的理解，并为许多肌营养不良相关突变的分子解释提供了基础。
骨骼肌和心肌纤维在收缩过程中会持续变形和缩短，这就需要一种力传递机制来维持肌肉细胞膜（即肌膜）的结构完整性。DGC是一种多聚物复合物，通过建立连接细胞外基质（ECM）和细胞内肌动蛋白细胞骨架的坚固机械支架，保护肌膜免受机械应力，减轻收缩引起的损伤。除了在肌肉组织中的主要功能外，DGC还为神经元膜提供结构支持，并调节神经肌肉连接处的神经递质信号。此外，DGC作为细胞信号传导的关键纽带，作为各种细胞内信号蛋白的对接位点。因此，DGC积极参与调节细胞的机械转导、存活、迁移和生长。
DGC的组成在不同的组织中略有不同，通常被认为由三部分组成：细胞质肌营养不良蛋白（dystrophin）亚复合物、dystroglycan亚复合物和sarcoglycan–sarcospan复合物。肌营养不良蛋白最初是从兔骨骼肌中分离出来的，是第一个被鉴定的DGC成分。它是一种大型丝状棒状蛋白（超过3600个氨基酸），具有多个结构域，包括由N端和C端结构域两侧的24个spectrin蛋白结构域，使其能够作为与许多其他蛋白质相互作用的平台，这些蛋白质统称为肌营养不良蛋白相关蛋白（DAPs）。
值得注意的是，肌营养不良蛋白的N端包含一个与F-肌动蛋白结合的肌动蛋白结合域，从而在DGC和基于肌动蛋白的细胞骨架之间建立了物理连接。肌营养不良蛋白亚复合物还包括细胞内的DAPs，如Dystrobrevin和syntrophins。Dystrobrevin与dystrophin的C端区具有序列同源性，并作为适配蛋白促进肌营养不良蛋白与各种信号蛋白（如神经元一氧化氮合酶（nNOS）和caveolin-3）之间的关联。
小鼠骨骼肌DGC的冷冻电镜重建（图源自Nature）
dystroglycan亚复合物由α-dystroglycan（α-DG）和β-dystroglycan（β-DG）的异二聚体组成，它们来源于同一前体蛋白-dystroglycan。三聚糖聚糖蛋白由DAG1编码，经翻译后裂解产生α-DG和β-DG。α-DG类似于一个哑铃，由两个细胞外球状结构域组成，由一个被称为粘蛋白样结构域的柔性区域连接。粘蛋白样结构域严重糖基化，并通过其聚糖介导ECM蛋白的结合。β-DG含有单个跨膜螺旋；它的N端胞外结构域与α-DG的C端区相互作用，而它的C端细胞质区与DGC的几个胞内组分结合，将ECM与细胞骨架连接起来。骨骼肌中的肌聚糖-肌跨度亚复合物包括α-、β-、γ-和δ-sarcoglycans及sarcospan。此外，ε-和ζ-sarcoglycans已被鉴定为能够分别替代其他组织中的α-和γ-sarcoglycans。所有的sarcoglycans都含有一个跨膜螺旋和一个胞外结构域，而sarcospan则有四个跨膜螺旋，属于tetraspanin家族。
DGC与肌肉萎缩症（一种以肌肉衰弱和退行性变为特征的疾病）的强烈关联，强调了其生理和病理重要性。DGC成分的突变已被确定为人类多种类型肌肉营养不良的主要原因。具体来说，肌营养不良蛋白基因的突变会导致肌营养不良症，包括杜氏肌营养不良症（DMD）和贝克肌营养不良症。DMD是最常见和最严重的肌肉萎缩症之一，通常出现在儿童早期并迅速发展。全世界每3500到5000名男性中就有1人患有此病，目前尚无治疗方法。此外，sarcoglycan基因的功能缺失突变会导致肌糖病，这是肢体带状肌营养不良症（LGMD）的亚型。此外，由于DGC具有多方面的功能，破坏其结构和功能的畸变也有助于心脏和大脑中其他严重疾病的发展，包括扩张性心肌病、认知障碍和神经元迁移障碍。因此，DGC作为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具有重要的生理和临床意义。
基于结构，修改了DGC的原理图（图源自Nature）
在过去的三十年中，广泛的遗传和生化研究为DGC的组成和功能提供了有价值的见解。DGC组分的部分可溶性结构域已被表征，包括肌动蛋白结合域、spectrin域、肌营养不良蛋白的C端WW结构域以及α-DG的N端结构域。然而，由于缺乏完整复合物的高分辨率结构信息，对DGC如何组装及其功能的分子机制的理解受到限制。目前流行的DGC组装模型主要来源于生化研究，该模型认为dystroglycan亚复合物位于DGC的中心，是与细胞质肌营养不良蛋白相互作用的关键，而sarcoglycan–sarcospan亚复合物位于外围。
该研究从小鼠骨骼肌中分离出天然DGC，并使用单粒子冷冻电镜（cryo-EM）测定其结构。该研究为DGC的组装机制提供了新的见解。冷冻电镜结构与先前的模型不同，揭示了sarcoglycans及sarcospan位于β-DG跨膜螺旋的两侧，并且sarcoglycans直接与肌营养不良蛋白结合。这种结构是过去几十年在临床研究中发现的许多肌营养不良相关突变的机制解释的重要基础。
西湖实验室开拓学者万里、清华大学生命科学学院已毕业博士生葛霄飞、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。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08310-2