胶原蛋白是人体最丰富的蛋白质，长期以来一直被视为组织中可预测的结构成分。然而，莱斯大学的Jeffrey Hartgerink和Tracy Yu与弗吉尼亚大学（UVA）的Mark Kreutzberger和Edward Egelman合作进行的一项新研究挑战了这一观念，揭示了胶原蛋白结构的一个意想不到的证实，这可能会重塑生物医学研究。

研究人员使用先进的冷冻电子显微镜（cryo-EM）来确定填充胶原蛋白组装的原子结构，这种结构偏离了传统上公认的右手超螺旋扭曲。这项研究发表在2月3日的《ACS中央科学》杂志上，表明胶原蛋白的结构多样性可能比以前认为的要大。

“这项工作从根本上改变了我们对胶原蛋白的看法，”化学和生物工程教授哈特格林克说。“几十年来，我们一直认为胶原蛋白的三螺旋结构总是遵循严格的结构范式。我们的研究结果表明，胶原蛋白组合可以采用比以前认为的更广泛的构象。”

揭示一种新的胶原结构

为了在原子水平上探索胶原蛋白的组装，研究小组设计了一个基于C1q（一种关键免疫蛋白）的胶原样区域的自组装肽系统。然后，他们使用低温电子显微镜（cryo-EM）来分析组装肽的结构。低温电子显微镜是一种技术，可以让科学家以前所未有的细节观察生物分子。由此产生的模型揭示了一个偏离规范的右手超螺旋扭曲。

这种意想不到的构象使独特的分子相互作用，包括相邻螺旋之间的羟基脯氨酸堆积和形成对称的疏水腔。这些特征表明胶原组合可能比以前认为的结构多样化得多。

“没有超螺旋扭曲，就可以在胶原蛋白中看到以前从未见过的分子相互作用，”于说，他是哈特格林克的前研究生，现在是华盛顿大学的博士后研究员。

这项研究的第一作者Kreutzberger说，这一发现确实质疑了之前的观点。“它挑战了长期以来关于胶原蛋白结构的教条，并为重新审视其生物学作用打开了大门，”克罗伊茨伯格说。

对医学和生物材料的意义

这一发现的意义可能会超越基础生物学。胶原蛋白不仅仅是一种结构蛋白，它在细胞信号传导、免疫功能和组织修复中起着至关重要的作用。

通过更深入地了解胶原蛋白的结构变异性，研究人员可能会对胶原蛋白组装受损的疾病（包括埃勒-丹洛斯综合征、纤维化和某些癌症）有新的见解。

此外，这项工作为生物材料和再生医学的创新奠定了基础。通过利用这种新发现的胶原蛋白构象的独特结构特性，科学家们可以设计出用于伤口愈合、组织工程和药物输送的新型材料。

Cryo-EM在结构生物学上的突破

尽管胶原蛋白在人类生物学中无处不在，但以高分辨率研究其高阶结构一直是一个挑战。传统的技术，如x射线晶体学和纤维衍射，提供了有价值的见解，但不能捕获胶原蛋白堆积在复杂的组装。然而，冷冻电镜技术克服了这些限制，使研究小组能够以新的细节可视化胶原蛋白的复杂结构。

“我们的研究改进了我们对胶原蛋白的理解，并强调了重新检查以前被认为很好理解的其他生物结构的重要性，”该研究的共同通讯作者Egelman说。

该研究的其他共同作者包括弗吉尼亚大学的迈克尔·珀迪；赖斯大学化学系的Thi Bui和Maria hanku；南加州大学的Tomasz Osinski；以及乔治亚理工学院的彼得·卡森。

美国国家科学基金会化学部、Robert A. Welch基金会和国家普通医学科学研究所支持这项工作。