人类糖原脱支酶(hsGDE)的分子结构与催化机制解析及其在糖原贮积症III型(GSD III)中的病理机制研究

本研究通过冷冻电镜技术解析了人类糖原脱支酶(hsGDE)的3.23 ?高分辨率结构，揭示了其底物选择性和双功能催化机制。研究人员针对21种GSD III相关突变体进行功能分析，发现突变通过破坏催化活性、糖原结合区域或整体结构稳定性导致疾病。该成果为理解hsGDE在糖原代谢中的作用及开发GSD III靶向疗法奠定基础。

　　

糖原是动物细胞中重要的能量储备分子，其精确降解对维持血糖平衡至关重要。糖原脱支酶(GDE)作为糖原降解过程中的关键双功能酶，同时具有4-α-葡聚糖转移酶(GT)和淀粉-α-1,6-葡萄糖苷酶(GC)活性，能协同糖原磷酸化酶完成糖原的完全降解。然而，GDE功能缺陷会导致限糊精异常积累，引发糖原贮积症III型(GSD III)——一种以肝肿大、低血糖和生长迟缓为特征的遗传代谢病。尽管酵母和细菌GDE结构已被解析，但人类GDE(hsGDE)的结构与功能机制仍不清楚，特别是其对复杂糖原底物的选择性识别机制，以及GSD III致病突变的分子基础亟待阐明。

南方科技大学的研究团队通过冷冻电镜(cryo-EM)解析了hsGDE的3.23 ?高分辨率结构，结合分子动力学(MD)模拟和酶活性分析，系统研究了其底物选择性和催化机制。研究还构建了21种GSD III相关突变体，揭示了突变导致疾病的多种分子途径。该成果发表于《Nature Communications》，为理解hsGDE在糖原代谢中的核心作用及开发GSD III精准治疗策略提供了重要依据。

研究主要采用冷冻电镜技术解析hsGDE三维结构，通过分子动力学模拟分析底物结合模式，利用体外酶活性实验测定野生型和突变体的GT/GC活性，并采用糖原结合实验评估突变对底物亲和力的影响。

结构解析

研究成功获得hsGDE的3.23 ?冷冻电镜结构，揭示其由四个结构域组成：GT结构域(含A、B、C亚域)、GC结构域以及两个中间结构域M1和M2。GT与GC结构域分别位于分子两端，通过M1/M2结构域连接，形成独特的空间排布。与白色念珠菌GDE(cgGDE)相比，hsGDE底物结合口袋具有更多正电荷残基，可能增强与带负电糖原的相互作用。

底物选择性机制

通过MD模拟发现，麦芽五糖(maltopentaose)以垂直方向结合于GT结构域的A/B域间口袋，其非还原端与F557、E579等残基形成特异性相互作用。结合口袋独特的化学环境（一侧极性、一侧疏水）和空间限制（由柔性B域调节）共同决定了底物选择性。实验证实，破坏这些关键相互作用（如F557A突变）会显著降低GT活性但不影响底物结合。

双功能催化机制

GC结构域采用(α/α)₆-桶状折叠，保守催化残基D1261和E1502参与α-1,6-糖苷键水解；GT结构域则具有典型的(β/α)₈-桶状结构，催化三联体D526/E555/D627负责糖基转移。突变实验显示，这些催化残基的突变会选择性破坏相应活性而不影响另一功能。

GSD III病理机制

对21种临床突变的系统分析揭示了四种致病途径：

1. 直接破坏催化核心（如GT域的D215N、GC域的G1087R）
2. 干扰糖原结合区域（如钙结合位点突变N219D）
3. 破坏结构完整性（如B/C域交界处的G138E）
4. 诱导蛋白错误折叠（如脯氨酸突变A253P）

二聚化现象

意外发现hsGDE可通过GC结构域形成二聚体，其组装受pH和ATP调控，暗示可能存在新的活性调控机制。

该研究首次在原子水平揭示了hsGDE的工作机制，阐明了GSD III的分子病理基础。特别值得注意的是，不同突变通过多种途径导致疾病，这解释了GSD III的临床异质性。发现hsGDE二聚化现象为理解其活性调控提供了新视角。研究成果不仅填补了糖原代谢领域的关键知识空白，更为开发针对特定突变类型的个性化治疗方案奠定了理论基础。未来可基于这些结构信息设计小分子药物，或通过基因治疗修复致病突变，为GSD III患者带来新的治疗希望。