糖胺聚糖（Glycosaminoglycans，GAGs）作为细胞外基质中重要的线性多糖，广泛参与调控细胞增殖、迁移和分化等多种生命过程，对组织发育、伤口修复及再生医学具有重要意义。然而，糖胺聚糖自身的复杂性和异质性——单糖组成、硫酸化和链长的多样性，使结构表征变得复杂，给其基础研究带来了巨大的挑战。此外，动物来源的糖胺聚糖中由于杂质的存在，可能引发免疫反应，限制了其进一步的治疗应用。为此，研究人员尝试设计并合成具有糖胺聚糖类似功能的材料，其中糖基化多肽（糖肽，糖基共价修饰在多肽上）因为合成灵活、结构可控的优点，成为近年来的新兴方向。然而，关于糖肽组装体的结构研究仍然不足，这不仅限制了关于聚糖如何影响组装体结构与功能的理解，而且阻碍了基于结构的功能性糖肽设计。尽管冷冻电镜（cryo-EM）在大分子组装体结构解析方面取得了重大突破，但其在糖肽组装体中的应用仍处于早期阶段。

2025年5月31日，中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心刘聪课题组与北京大学药学院董甦伟课题组合作，在J. Am. Chem. Soc.期刊上发表题为“Design and Structural Elucidation of Glycopeptide Fibrils: Emulating Glycosaminoglycan Functions for Biomedical Applications”的论文，该研究设计并合成了一种能够自组装成纤维的糖肽（glycopeptide），成功模拟了糖胺聚糖的关键功能，并通过冷冻电镜解析了其糖肽组装体的原子结构，建立了生物学功能与纤维结构之间的关联，也为后续功能性淀粉样纤维的设计，提供了一定的结构理论基础。

本研究首先基于之前开发的二聚体糖肽系统，设计了第4位酪氨酸糖基化修饰的糖肽，其中，糖基是葡萄糖醛酸（Glucuronic Acid, GlcA），它是透明质酸、硫酸软骨素以及肝素等糖胺聚糖的二糖重复单元之一，期望其赋予糖肽组装体更接近糖胺聚糖的生物活性。负染电镜表征结果显示，糖基化多肽可以组装成形态均一的丝状长纤维。Zeta (ζ)电位测量结果暗示，糖基可能定位于纤维表面，而不同TFE比例下的表征结果和葡萄糖醛酸酶的水解实验结果都进一步证实，在糖肽纤维形成过程中，糖基起着重要的调控作用。

为了从原子水平阐述其纤维构象，本研究基于冷冻电镜三维重构技术，解析了糖肽组装体的结构，获得了其3.2 Å的高分辨率重构结果。基于密度图搭建的原子模型显示，糖肽纤维是由三根相似的原纤维相互缠绕组成，其中单根原纤维呈现“M”型构象。值得注意的是，每根原纤维的纤维核心外周，均存在不属于主链氨基酸残基的额外电子密度，对应着酪氨酸上修饰的葡萄糖醛酸分子（GlcA）。纤维结构的分析结果显示，π−π相互作用、静电相互作用和糖基参与的CH−π相互作用，帮助稳定了糖肽纤维的整体构象。

既然冷冻电镜显示纤维呈现“三股螺旋”的排列形式，并且糖基定位于纤维核心的外周，本研究进一步探究糖肽纤维是否能够模拟糖胺聚糖的生物学功能。细胞实验结果显示，糖肽纤维具有明显的促进细胞增殖的能力，并且其增殖效果强于糖肽单体、透明质酸、胶原蛋白I和Simvastatin。不仅如此，划痕实验证实糖肽纤维能够附近细胞迁移，暗示其促进伤口愈合的潜在可能。另外，考虑到糖胺聚糖调控骨组织形成的重要作用，本研究的细胞分化实验结果显示，糖肽纤维以浓度依赖性的方式，促进成骨细胞的矿化过程。结合前面的结构分析，糖基有序地分布在糖肽纤维外周，有利于其与细胞表面的受体充分接触，从而发挥其促进细胞增殖和细胞分化的生物学功能。

综上所述，糖基化修饰（葡萄糖醛酸）的引入，诱导多肽组装形成淀粉样纤维，且组装体具有类似于糖胺聚糖的促进细胞增殖和分化的生物学功能，冷冻电镜的解析结果发现，糖肽纤维由三根原纤维组成，并且糖基参与了纤维核心的形成，有规律地排列在核心外周，可能是其发挥生物活性的结构基础。该研究不仅揭示了糖肽纤维结构中多样的相互作用和糖基的精确排列方式，填补了糖肽功能活性和结构机制之间的空白，也为后续糖肽的功能材料设计和生物医学应用，提供了理论基础和结构思路。

本研究由刘聪课题组和北京大学药学院董甦伟课题组合作共同完成，刘聪研究员和北京大学董甦伟教授为论文的共同通讯作者；中国科学院生物与化学交叉研究中心刘聪课题组博士生夏文程、北京大学药学院董甦伟课题组博士生徐忠欣为文章的共同第一作者。该工作得到了来自于国家自然科学基金委、上海尚思自然科学研究院及上海市科委等项目及基金的资助。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c07039