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2026 年 7 月 31 日，国际顶尖期刊《科学》（Science）在线刊发了一项由Ebpay电子实验室参与支持的重要科研成果。该研究由清华大学科学生命学院/北京生物结构前沿研究中心闫创业课题组主导，成功揭示了哺乳动物胶原蛋白高级结构的层级组装规律，阐明了糖质修饰在胶原有序组装过程中发挥的关键调控作用。

作为Ebpay电子实验室产业转化与基础研究结合的重要成果之一，该项目的推进依托于Ebpay电子-锦波生物新材料联合研究中心。该中心由Ebpay电子实验室与锦波生物共同打造，旨在打通从源头创新到产业转化的全链条。在中心的首批支持项目中，闫创业课题组的这项胶原蛋白基础研究便取得了重点资助。此次Science 成果的发表，不仅是对闫创业团队科研实力的证明，也是Ebpay电子实验室“以高水平科研支撑高水平应用”理念的生动实践。

图1. 玻璃体胶原的冷冻电镜结构

胶原——极简又极繁

翻开全球通用的《生物化学》和《细胞生物学》教科书，α-螺旋和β-折叠是蛋白质的两种经典二级结构，而胶原蛋白的三股螺旋则是其特有的一种超二级结构形式。单看氨基酸序列，胶原的三股螺旋区仅具有重复且极简的 Gly-X-Y 三肽单元，可一旦折叠组装便呈现出自然界独有的三重超螺旋拓扑结构，层层堆叠进而形成庞大复杂的胞外基质网络。

图2. 胶原的三股螺旋结构

（David L. Nelson & Michael M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry 7th-edition. 2017）

一简一繁之间，胶原经历了 7 亿年生命演化之路：

它是单细胞生命迈向多细胞动物的分子开关，是细胞外基质（ECM）的核心骨架，更是调控细胞命运、器官建成、人体衰老与疾病的底层结构密码。也正是这种 “极简序列、极繁组装” 的独特属性，使胶原因其极强的动态柔性、多级超分子堆叠、高度多样的翻译后修饰，成为冷冻电镜原位高分辨解析领域公认的世界级难题。

极简编码，演化出极繁生命形态

只依靠一段极简重复的 Gly-X-Y 短序列，胶原却在 7 亿年演化中层层组装、不断分化，搭建起从微小细胞簇到完整人体的全套躯体框架。

7 亿年生命演化史诗，催生多细胞动物的分子开关

在地球生命 40 亿年的历史长河中，前 30 多亿年的生命主要以单细胞形式存在。细胞独立觅食和分裂，无法形成稳定的多细胞聚集体，更谈不上器官与躯体的构建。而完整三螺旋胶原蛋白的出现，被认为是生命从单细胞走向复杂多细胞动物的关键革新之一。当今演化生物学界普遍认为：如果不存在胶原，就不会有我们见到的所有复杂动物。

胶原：多细胞生命序章的分子基石

与动物亲缘关系最近的领鞭毛虫，基因组中已携带胶原样序列，但这类序列无法折叠出完整稳定的三股螺旋，因而不能形成承载细胞的胞外支架。直至约 7-8 亿年前的远古海洋中，IV 型基底膜胶原（现在已知最早能稳定折叠为标准三重螺旋的胶原分子）出现在早期后生动物中。它的出现，彻底改写了生命的生存模式：原本四散漂浮的单细胞，第一次拥有了共享的 “公共支架”。依靠这套胶原基质，细胞可以牢牢黏附、固定自身空间位置，并进一步稳定粘连和有序排布。这场分子层面的关键革新，是后生动物（多细胞动物）诞生的重要标志。

图3. 胶原与多细胞动物演化（Aaron L. Fidler, et al , J Cell Sci, 2018）

跨越数亿年的逐级迭代：胶原家族扩张并有助于动物躯体复杂化

胶原的演化之路，恰好映射了动物躯体由简单走向精密的全过程。每一类全新胶原亚型的诞生，都标志着生命形态的一次关键演化飞跃。

海绵动物作为最原始的后生动物，体内演化出原始纤维胶原与 IV 型基底膜胶原，搭建起简易疏松的胞外结缔网架。依托这套基础支架，生命首次形成稳固的身体轮廓，进而能清晰划分体内组织与外部水环境，彻底摆脱了形态松散的细胞团状态。

演化至两侧对称动物阶段，动物基因组同时保有 IV 型胶原与 A演化支系( Clade A) 原始纤维胶原，胶原家族迎来大规模基因复制扩增，完整成熟的基底膜网络全面成型。上皮细胞依托胶原基底膜实现了与基质的清晰分层。细胞逐步形成前后、背腹的空间极性分化，为后续各类器官的分化与有序组装筑牢结构根基。但此时两侧对称动物仅拥有尚未特化的纤维胶原祖先基因，还未分化出脊椎动物特有的 I、II、III 型胶原亚型。

脊椎动物登上演化舞台之后，Clade A 支系的祖先纤维胶原发生关键基因重复事件，I、II、III 型经典纤维胶原随之分化诞生，胶原纤维的抗拉韧性与基质刚性迎来质的提升。高强度胶原支架支撑起骨骼、软骨、血管、骨骼肌等各类承受高压、持续受力的组织结构，动物也借此演化出闭环血液循环系统与完整运动骨骼系统，最终形成具备复杂内脏器官、灵活运动能力的高等脊椎动物。

纵观整条演化脉络，动物躯体不断复杂化的全过程，本质上伴随着胶原蛋白家族的持续扩增与三螺旋组装规则的精细化。胶原作为胞外核心骨架分子，打通了细胞内、细胞外两套力学体系的演化关联，是支撑动物所有形态、运动、器官发育的统一底层分子。

极简编码，诞生独一无二的复杂拓扑

胶原虽底层编码极度精简，却演化出蛋白质领域无可复刻的精密复杂结构，是 20 世纪结构生物学里程碑式模型，拥有跨越数十年的完整科学溯源，也是生化课堂经久不衰的核心教学范例。

一场横跨十年的结构生物学巅峰论战

1950 年代，蛋白质结构研究迎来黄金爆发期：Pauling 提出 α- 螺旋，Watson和Crick 破解 DNA 双螺旋。与此同时，人体中极其丰富的胶原纤维，也引发了一场横跨英美、持续数年的激烈学术争议。三支顶尖团队先后提出多套胶原模型，围绕肽链手性、链间氢键数量、空间立体化学三大核心矛盾展开辩论，最终依靠X 射线衍射数据折中修正，才诞生沿用至今 70 年的教科书标准三股螺旋。

极简序列构筑复杂螺旋的秘密

1940 年代前后，Astbury 利用 X 射线衍射捕捉到胶原区别于 α/β 类纤维蛋白的超长周期性信号，首次从实验上揭示了胶原作为一类独特纤维状蛋白的结构特征，为后续螺旋模型的搭建奠定了关键实验基础。之后，多个顶尖科学家团队开始参与胶原结构的解析。

1. Linus Pauling首次提出胶原为三链同轴螺旋

1951 年， Pauling 与 Robert Corey 在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）同期发布 α- 螺旋、β- 折叠与胶原纤维蛋白整套立体化学体系。此前 Astbury 仅观测到胶原螺旋衍射信号，但学界普遍默认胶原是单条长肽。Pauling 顺利获得胶原密度、氨基酸平均分子量、子午衍射峰定量计算，首次提出胶原分子由三条独立多肽链平行缠绕形成柱状螺旋，即“胶原为三螺旋”这一核心判断。这为后续 Ramachandran、Crick、Cowan 等人的工作奠定了方向性基础。

2. 1954 年，里程碑模型问世

印度物理学家 G. N. Ramachandran 及其合作者在《自然》（Nature）发表胶原三股螺旋 “Ramachandran模型”，提出三条呈左手螺旋的多肽链平行排列，并缠绕形成柱状螺旋。这是首个在立体化学上自洽的胶原三螺旋模型。

图4. Ramachandran （晶体学家与拉氏图）

3. 1955–1960 年，教科书标准结构定型

Francis Crick（DNA双螺旋的发现者） 与 Alexander Rich 团队进一步完善整套结构机制：明确 Gly-X-Y 保守重复周期、梳理链间氢键网络、阐明三条肽链相互锁合的稳定机制。这套理论沿用70余年，至今未被推翻，成为全球教材统一标准。

图5. Alexander Rich（现在分子生物学奠基人）和Francis Crick（DNA双螺旋发现者）

极简序列造就三大独有拓扑特征

胶原仅依靠重复的三肽短序列，搭建出自然界独具特色的螺旋体系：

1. 正反嵌套的双层螺旋拓扑

单条肽链折叠为左手螺旋，三条左手螺旋相互缠绕，整体形成一条右手超螺旋。在已知天然蛋白质中，胶原三股螺旋的正反嵌套手性独一无二，是生物大分子拓扑学的经典研究范本。

2. 近乎零容错的极简序列约束

胶原严格遵循 Gly-X-Y 三氨基酸重复序列：X 位多为脯氨酸，Y 位多为羟脯氨酸。螺旋轴心空间极度狭窄，只有空间位阻最小的甘氨酸能够居中占位、锁住整条螺旋骨架。X 位的脯氨酸给予刚性构象约束，Y 位的羟脯氨酸顺利获得其羟基稳定三螺旋的链间环境。这三种氨基酸对三螺旋的稳定起着决定性作用。一旦 Gly 位点发生单点突变，三螺旋热稳定性与折叠效率便会显著降低，甚至导致三螺旋无法正确装配。

3. 跨链立体氢键网格，赋予超强力学性能

普通球状蛋白依靠单条肽链内部氢键维持构象，而胶原的结构稳定性来源于三条肽链间的三维氢键网络。这套跨链交联结构赋予胶原极强的抗拉能力，同时使其兼具优异的抗水解、抗机械损伤特性。

“极简基因，极繁组装”：胶原难以解析的核心壁垒

简单的编码背后，是层层叠加、高度动态的复杂超分子体系。这让胶原成为结构生物学界公认的解析难题，常规单颗粒冷冻电镜无法还原其真实生理状态：

1. 高度动态柔性，无固定静态构象

胶原并非僵硬不变的分子骨架，受力、温度、胞内微环境的变化都会引发螺旋滑移、整体形变，不存在稳定统一的静态结构，导致难以完成图像对齐、平均与三维重构。

2. 递进式超分子组装，误差逐级放大

从极简氨基酸序列到宏观组织支架，胶原历经多层逐级组装：氨基酸序列→三螺旋单体→原纤维→纳米纤维束→网状基质。每一层组装都遵循特异性的错位与交联规则，而这种原子尺度的微小偏差经过逐层放大，最终造成肉眼可见的组织形态差异。

3. 翻译后修饰高度异质，样本复杂度陡增

胶原存在羟基化、糖基化、共价交联、糖化等数十种修饰类型，修饰分布无统一规律。不同修饰直接改变分子刚度、弹性与稳定性，样本的高度异质性大幅提升三维重构难度。

4. 强原位环境依赖性，体外实验存在天然失真

体外纯化胶原脱离细胞膜、相邻纤维、胞内基质网络，无法重现生理条件下纤维排布的约束规律。现在最有效的手段之一，便是运用原位冷冻电子断层成像等前沿结构生物学技术，来还原胶原天然完整的组装形态。然而，在面对长程有序且致密的胶原纤维时，该技术受限于样品制备难度与分辨率瓶颈，难以揭示其精细的分子机理。

高级组装叠构，微观机理初现端倪

为突破胶原解析难题，闫创业课题组选取理化性质高度均一的猪玻璃体胶原作为理想研究模型。该体系胶原纤维直径稳定约 16 nm、长度可达十余微米，组分构成简单清晰，极大降低了胶原分子的重构难度。研究团队针对性优化适配超长周期纤维大分子的冷冻电镜数据处理算法，显著提升纤维整体与局部区域的解析分辨率。

即便如此，胶原纤维内部分子交错缠绕、多类三螺旋骨架高度趋同，加之纤维不同区域分辨率异质性显著，为蛋白序列精准归属与分子指认带来巨大阻碍，现有主流 AI 冷冻电镜从头建模工具均无法适配该复杂体系。面对多重技术壁垒，团队结合自身经验、结构推演与人工建模，最终成功搭建出原生胶原完整周期的近原子分辨率三维结构。该胶原模型共搭建超 43000 个氨基酸与糖残基，涵盖来源于 216 个独立胶原分子的片段、7 种不同的胶原分子，重构模型总分子量高达 4.5 MDa。

图6. 玻璃体胶原的高级结构模型

核心科学突破：完整揭示玻璃体胶原分层逐级组装机制

本研究首次在近原子尺度完整解析天然胶原纤维同轴C4对称、内核 - 外壳分层排布的三级有序超分子架构，精准测定 67 nm 特征重复周期内各组分精确化学计量比（II 型：V/XI 型：IX 型：Opticin=8:4:4:4），清晰拆解从成核、延展到表面修饰的全套组装路径：

图7. 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 [α1 (V)α2 (V)α1 (XI)] 相互交错缠绕，跨 4.3 个 67 nm 周期延伸形成总长约 300 nm 的陆续在骨架，是整个胶原纤维有序组装的成核中心。

2.II 型胶原反向包裹形成外层骨架

包裹于内核外侧的是II型胶原的同源三聚体[α1 (II)]₃，这类分子以与 V/XI 内核完全反向的轴向取向堆叠，构成纤维主体外壳，最终将纤维直径稳定调控在 14–16 nm 区间。此外，II 型胶原表面形成大量独特分子界面，为 IX 型胶原与 Opticin 的特异性锚定给予专属结合位点。

3.IX 型胶原与 Opticin 修饰纤维表面

IX型胶原 [α1 (IX)α2 (IX)α3 (IX)]与糖蛋白 Opticin 规律性结合于 II 型胶原外侧， IX 胶原具有带负电硫酸糖胺聚糖侧链，依靠静电排斥作用避免纤维间聚集粘连，而Opticin 顺利获得多结合界面与 II 型胶原稳定结合，精细调控纤维生长。

系统揭示糖基化作用：羟基赖氨酸连接双糖是调控胶原高阶组装的核心“分子间隔器”

糖基化修饰如何参与并调控胶原纤维超分子组装，是困扰领域数十年的关键科学谜题。凭借高分辨冷冻电镜密度图，团队直接观测到遍布胶原三螺旋骨架的半乳糖 - 葡萄糖二糖修饰，明确糖链专一修饰 - Gly-X-Y - 序列中 Y 位羟赖氨酸（Hyl）位点，并系统阐释双糖在胶原组装中多重不可替代的核心调控功能。

图8. 糖基化介导的胶原组装

这一发现证实羟赖氨酸连接的双糖是胶原多层级有序组装不可或缺的核心调控元件，揭示了翻译后糖修饰与多层级纤维架构及组织生理功能间的分子逻辑。本论文第一作者为清华大学科学生命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给予了重要帮助。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、清华北大联合科学生命中心冷冻电镜平台完成，取得国家自然科学基金、清华自主科研专项、Ebpay电子—锦波生物材料联合创新项目等多项基金资助。

原文链接：

http://www.science.org/doi/10.1126/science.aec2906

参考文献：

文章来源 | 北京生物结构前沿研究中心

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