近日，南方科技大学生命科学学院化学生物学系助理教授闫凯歌团队在Nature Communications期刊发表了题为“Molecular Architecture and Catalytic Mechanism of Human Glycogen Debranching Enzyme”的研究成果。研究团队利用冷冻电镜三维重构技术，解析了糖原去分支酶（GDE）的蛋白结构，揭示了其底物结合机制，为理解III型糖原累积症（GSD III）的病理机制提供了重要的分子基础。

糖原作为动物体内葡萄糖的主要储存形式，其降解对维持血糖稳定和能量供应至关重要。GDE在此过程中发挥关键作用，其通过α-1,4-葡聚糖转移酶（GT）和α-1,6-葡萄糖苷酶（GC）两种酶活性，分两步去除糖原分支，确保糖原的高效降解。GDE功能障碍会导致人体内极限糊精异常积累，进而引发GSD III。GSD III是一种具有多种亚型的复杂遗传性疾病，不同亚型由不同特定蛋白的活性丧失决定。然而，人源GDE的底物选择机制、催化机制，及其突变体功能丧失的分子基础尚不明确，深入研究GDE结构与功能，对理解其底物选择机制和催化机制，以及阐明GSD III发病机制具有重要意义。

图1.人源GDE的冷冻电镜结构及GSD III的致病分子机制

在本研究中，研究团队成功解析了GDE的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了GDE中不同催化结构域的相互作用及相对位置。研究发现，人源GDE的GT/GC催化结构域分别位于蛋白两端，中间由两个连接结构域连接，这种独特的结构布局确保了蛋白整体的稳定性和灵活性（图1）。团队还通过保守性分析方法解析了GDE的GT/GC催化口袋，并利用生化实验进行进一步验证，明确了其催化机制的关键特征。

结合分子模拟实验，研究团队深入分析了GDE如何选择性识别糖原并将其有效转移至GT结构域催化区域。研究表明，糖原结合口袋的大小、形状和独特的化学环境对糖原识别与稳定至关重要，其两侧的疏水和带电残基能促进结合并提高转移效率。此外，B结构域在底物结合中也起到了关键作用。GT结构域的B结构域具有灵活摆动的特性，其功能类似于夹子，随后通过构象调整调节嵌入葡萄糖分子数量和稳定糖原的结合。

通过对已知GSD III患者突变的了解和对GDE结构的深入研究，研究团队还通过结构生物学和生化分析手段，为揭示GSD III复杂性提供分子层面解释。研究表明，位于GT/GC结构域的关键催化区域突变显著影响其活性，并诱发疾病发生。而其他不在关键催化结构域的突变则通过其他形式影响蛋白的功能发挥，从而引发疾病。

南科大2024届生物学专业硕士官惠怡（已毕业），南科大-香港大学境外联培2023届生物学专业博士陈欢（已毕业）和南科大生命科学学院研究生耿赫为论文共同第一作者。闫凯歌助理教授和原浙江大学研究助理陈怡芳为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位及通讯单位。南方科技大学生命科学学院研究助理教授马瑞芳参与了该工作，浙江大学生命科学学院王勇教授，南方科技大学生命科学学院助理教授刘忠民对此项工作给予大力协助。研究得到国家自然科学基金委、广东省科学技术厅、深圳市科创委、南方科技大学高分辨率生物电镜结构研究院、南方科技大学冷冻电镜中心、南方科技大学分析测试中心和南科大植物与食品联合研究所的资金和技术支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61077-6

供稿：生命科学学院

文字：闫凯歌、官惠怡

通讯员：邹冬霞、李沐涵

制图：丘妍

编辑：任奕霏