肌营养不良症是一类严重影响人类健康的遗传病，其中最常见的是杜氏肌营养不良症 （Duchenne muscular dystrophy，DMD），平均每3,500-5,000名男性新生儿中就有1例。该疾病以肌肉进行性萎缩（逐渐演变加重的肌肉组织萎缩）和肌无力为特征，最终由肌肉萎缩导致心肺功能衰竭而死亡。

DMD的发病机制与肌营养不良蛋白糖蛋白复合体（DGC）的功能障碍密切相关。DGC是一个由10种核心蛋白组成的结构复杂的蛋白复合体，它将肌肉细胞的细胞外基质与细胞骨架连接起来，起到“分子减震器”的作用，保护肌细胞膜以免其在收缩过程中受到损伤。

尽管人们早已知道DGC在肌肉健康中起着至关重要的作用，但其分子结构一直未被解析，而这相当程度上阻碍了对此类遗传病在分子亚分子层面的了解。为解决这个难题，来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）的周正洪教授团队利用冷冻电镜技术解析了兔骨骼肌DGC复合体的三维结构，并对其进行了深入的分析，揭示了其复杂的分子构象和功能机制。文章于2024年12月11日发表在Nature上。

为了获得完整的肌营养不良蛋白糖蛋白复合体（DGC）复合物进行结构研究，研究人员首先使用麦芽凝集素 (WGA) 从兔骨骼肌膜中纯化DGC（这是因为，DGC之前没有建立完整的重组表达系统；且已知WGA对 N-乙酰葡萄糖胺具有强烈的亲和力，之前也被用于DGC富集）。

研究人员首先经过尺寸排阻色谱（SEC）纯化得到了DGC蛋白复合体的实验样本，随后使用Cryo-EM冷冻电镜技术，对分离的 DGC 进行了冷冻电镜单颗粒分析，揭示了DGC的跨膜结构，其特征是“钥匙状”，整体分辨率高达4.3 Å。对其从头开始的de novo原子模型构建融合了AlphaFold预测、蛋白复合体本身的结构解析、以及针对蛋白质相互作用进行的广泛的生化实验。

进一步的模型验证通过已知的N-糖基化位点来实现，这些位点与所有SG蛋白和DG蛋白（复合体中的重要成员）的细胞外结构域中的指定天冬酰胺残基相关 （图1e）。研究人员解析的天然结构具有细胞外 N-糖基化，揭示了 DGC 的九个组成成分：SG复合物，由α-、β-、γ-和δ-SG组成；SGs的紧密相关伴侣蛋白sarcospan；DG复合物，由α-和β-DG组成；以及肌营养不良蛋白-肌营养不良蛋白异源二聚体。

在 β-SG-γ-SG-δ-SG 三聚体（即SG 复合物）中，II型跨膜蛋白β-、γ-和δ-SG 都类似于一种boomerang（飞去来器，即回旋镖，图2）形状，可以划分为一个“握把”、一个“臂”和一个“头部”，以反映 boomerang 的各个部分 (图 2a, 左侧)。整个复合物具有独特的结构域，其结构元素与噬菌体尾丝和溶血素中的多种常见蛋白相类似。

三聚体的 N 端跨膜结构域，称为“握把”，形成一个扭曲的三螺旋束。该结构包含一个富含亲水基团的区域，其特征是三对中性天冬酰胺和苏氨酸残基，这很可能有助于 β-、γ-和 δ-SG 蛋白之间的对齐和相互作用 （图 2a, 右下图）。三聚体的中心“臂”跨越105 Å的距离，由相互缠绕的三重β-螺旋组成，其中有两个小的三重β-折叠结构域 （图 2a, 左侧和中间右侧）。而三聚体的C端“头部”则形成一个核心，其中每个单体都有两个β-链 （Cβ1和Cβ2）（图 2a, 右上图）。每个Cβ1链与来自其他两个单体的 Cβ1链形成主链相互作用，从而形成一个锁定的三角形连接。而每个单体的C端有着扩展的环结构，其特征是两个分子内半胱氨酸对，它们一方面确保了单体的稳定性，另一方面通过主链与相邻 C 端环的相互作用促进了三角形连接的形成 （图 2a, 右上图）。实践证明，这些半胱氨酸对于结构的维持非常重要，γ-SG中的C283Y或β-SG中的C307R的单氨基酸突变就足以导致LGMD （limb-girdle muscular dystrophy，肢带型营养不良，图2d）。这种锁定的C端头部与大多数一般三重β-螺旋的情况一致，即其正确组装取决于C端延伸部的起始折叠，该折叠的进行应在时空上先于相应茎结构域“拉起拉链”（zipping up）的过程 。

在整个SG 三聚体中，三种蛋白通过延伸的β-螺旋形成一个紧密的结构。β-螺旋在臂的中点附近有一个显著的弯曲，这与它们在183到196号氨基酸之间的差异有关。这个弯曲对于维持β-螺旋的曲度至关重要，并可能参与了DGC与细胞外基质的相互作用。

与三聚体结合的α-SG 是一种 I 型跨膜蛋白，它由 CDHL 结构域、SEA 结构域、一个环和一个 C 端跨膜螺旋组成。α-SG 与 β-SG 三聚体通过疏水和亲水相互作用而相互作用，并参与 DGC 的整体结构稳定。

总的来说，β-SG-γ-SG-δ-SG 三聚体的结构完整性由其握把-臂-头部部分的相互作用维持，这与之前表征的致病性单氨基酸突变拓扑结构一致，现在研究得到的结构表明，这些突变表明致病机制是通过触发三螺旋展开。

在 DGC 结构中，DG复合物由两个CDHL-SEA模块组成，并由一个相邻的37个残基的环连接到一个跨膜螺旋和一个 C 端细胞质片段（图 3a）。这种组织方式与α-SG蛋白非常相似，因为它们都是 I 型跨膜蛋白。值得注意的是，DG的第二个SEA结构域 （SEA2） 发生翻译后自裂解，导致DG蛋白裂解成两个亚基，α-DG和β-DG（图 3a）。

尽管 DGC 的三个 SEA 结构域在整体结构上相似（Cαroot-mean-square deviation即r.m.s.d. 值为2.1到3.2），但它们的序列同源性很低，范围为8%到13%。

值得注意的是，DG 的 SEA2 结构域与 SEA 的其他结构域相比缺少一个间隔环（图 3b,e）。这与SEA中只有SEA2在DG中具有典型的裂解位点 G|SΦΦΦ （其中 Φ 是疏水性残基，| 表示裂解位点）的观察结果一致 （图 3d,e），这表明自裂解的机制是在SEA结构域中施加构象压力，而一个较长的间隔环有利于释放机械压力，从而避免在其他的SEA结构域中 不必要的自裂解（图 3e）。