胶原蛋白被认为是体内最丰富的蛋白质，传统上被理解为各种组织的简单结构元素。然而，近期由莱斯大学的杰弗里·哈特根林克和特雷西·余及弗吉尼亚大学（UVA）的合作者马克·克鲁茨伯格和爱德华·埃格尔曼领导的研究挑战了这一既定看法，揭示了胶原蛋白结构中一个意想不到的确认，这可能会革新生物医学研究。
研究小组利用先进的冷冻电子显微镜（cryo-EM）研究了一种密集的胶原蛋白组装的原子结构，该结构与之前接受的右手超螺旋扭曲不同。该研究于2月3日在《ACS中央科学》上发表，表明胶原蛋白的结构多样性可能比先前认为的更为广泛。
哈特根林克教授表示：“这项研究从根本上改变了我们对胶原蛋白的理解。多年来，我们认为胶原蛋白三重螺旋遵循一个严格的结构框架。我们的结果表明，胶原蛋白组装可以呈现出比以往更广泛的形态。”
揭示胶原蛋白的新形态
为了在原子尺度上深入研究胶原蛋白的组装，研究小组设计了一种自组装肽的系统，这些肽源自于C1q（一种重要免疫蛋白）的胶原样区域。利用冷冻电子显微镜这一允许科学家以卓越清晰度观察生物分子的技术，他们仔细分析了组装肽的结构。分析结果揭示了一种与典型的右手超螺旋构型的偏离。
这种令人惊讶的构象促进了独特的分子相互作用，例如相邻螺旋之间的羟脯氨酸堆叠，形成对称的疏水腔。这些特征暗示胶原蛋白组装可能具有远远超出先前承认的结构多样性。
余表示：“缺乏超螺旋扭曲使得以前未在胶原蛋白中观察到的分子相互作用成为可能。”她是哈特根林克的前研究生，现在是华盛顿大学的博士后研究员。
克鲁茨伯格，研究的首席作者，指出这一发现确实挑战了之前的假设。“它削弱了长期以来关于胶原蛋白结构的信念，并邀请我们重新评估其生物功能，”克鲁茨伯格解释道。
对医学和生物材料的相关性
这一发现的影响可能不仅限于基础生物学的理解。胶原蛋白不仅仅是结构性蛋白质；它在细胞信号传递、免疫反应和组织愈合等多种过程中发挥着重要作用。
通过加深对胶原蛋白结构变异性的理解，研究人员可能会获得关于胶原蛋白组装受损的情况（如艾勒斯-丹洛斯综合症、纤维化和特定癌症）的宝贵见解。
此外，这项研究为生物材料和再生医学的进展奠定了基础。通过利用这一新发现的胶原蛋白形态的独特结构特征，科学家可以创造出用于伤口愈合、组织工程和药物递送的创新材料。
冷冻电子显微镜在结构生物学中的进步
尽管胶原蛋白在人类生物学中普遍存在，但获取其高阶结构的高分辨率见解仍然面临挑战。传统方法如X射线晶体学和纤维衍射提供了有用的信息，但未能充分描绘胶原蛋白在复杂组装中的堆积。冷冻电子显微镜已解决这些挑战，使研究团队能够以前所未有的细致程度可视化胶原蛋白的复杂结构。
埃格尔曼，研究的共同通讯作者表示：“我们的研究增强了我们对胶原蛋白的理解，并强调重新审视以前被认为了解透彻的其他生物结构的必要性。”
本研究的其他贡献者包括来自UVA的迈克尔·珀迪；来自莱斯大学化学系的Thi Bui和Maria Hancu；来自南加州大学的托马斯·奥辛斯基；以及来自乔治亚理工学院的彼得·卡森。
本研究由美国国家科学基金会化学部、罗伯特·A·韦尔奇基金会和国家普通医学科学研究所资助。
