■本报记者 江庆龄

　　2002年，麦格司他（miglustat）在欧盟获批，用于治疗部分1型戈谢病成人患者。此后20多年间，艾格司他（eliglustat）等靶向同一关键酶的药物陆续获批或进入临床试验。这些药物针对的疾病大都与体内糖鞘脂堆积有关。它们采用的策略是“底物减少疗法”，通过抑制尿苷二磷酸葡萄糖神经酰胺葡萄糖基转移酶（UGCG）减少糖鞘脂合成，从而缓解病情。

　　UGCG位于整个糖鞘脂合成网络的入口，是决定数百种糖鞘脂的“生产线”能否开启的“看门酶”。然而，UGCG的药物作用机制尚不明确。

　　近日，中国科学院上海药物研究所研究员徐华强团队联合上海交通大学医学院附属瑞金医院副研究员吴灿荣团队、临港实验室研究员蒋轶团队等，在《自然》发表论文，系统揭示了UGCG的整体架构、底物识别、催化反应及药物抑制机制。

　　难以看清的“总闸门”

　　人体由数十万亿个细胞组成，每个细胞都穿着一件外衣——细胞膜。这件外衣上点缀着不同装饰，其中糖鞘脂既是细胞膜的结构成分，又起到“徽章”的作用，参与细胞识别与黏附、信号传导等过程，也影响着神经系统和免疫系统的正常运作。

　　“糖鞘脂代谢异常可以直接导致戈谢病、法布里病、泰-萨克斯病等溶酶体贮积病，也与帕金森病等神经退行性疾病以及代谢性疾病、肿瘤的发生发展相关。”徐华强告诉《中国科学报》。

　　人体内已经发现400多种结构各异的糖鞘脂，其中大多经过同一个关键起点——UGCG把1个尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-葡萄糖）分子“贴”到神经酰胺上，生成葡萄糖基神经酰胺（GlcCer）。

　　“GlcCer正是绝大多数糖鞘脂共同的‘原坯’。”徐华强形象地解释，UGCG就像整条生产线的总闸门，决定神经酰胺是留在原地还是被送进庞大的糖鞘脂加工网络。UGCG的活性稍有变化，就会对细胞膜的组成和信号产生显著影响。

　　然而，过去很长时间，科学家只知道UGCG做了什么，却不知道它长什么样、具体怎么干活。

　　这和UGCG的特性有关。UGCG个头不大，又深深嵌在高尔基体膜中，难以纯化和稳定观察。更棘手的是，它要处理的是两种性质截然不同的原料。亲水的UDP-葡萄糖存在于细胞质，疏水的神经酰胺则藏在“油性”膜中，传统技术手段很难“看清”UGCG将这两种分子凑到一起完成反应的过程。

　　徐华强团队借助冷冻电镜技术，结合定量酶学实验、定点突变、药理分析和计算机分子动力学模拟，捕捉到完整人源UGCG在8种不同工作状态下的高分辨率结构，还原了UGCG完整的工作流程。

　　3个答案和1个意外发现

　　“这项工作可以概括为解答了3个难题，还有1个意外发现。”吴灿荣总结道。

　　首先，水里的UDP-葡萄糖和油里的神经酰胺如何相遇？

　　团队解析了UGCG不同状态下的结构后，发现UGCG具有三次跨膜架构。它用几段跨膜螺旋把自己锚定在膜上，真正干活的催化中心恰好位于细胞质与膜的交界处。得益于这种结构特点，UGCG形成了两条不同的“进料通道”。UDP-葡萄糖从细胞质一侧进入亲水口袋，神经酰胺则从膜内侧“横向”滑入疏水通道，两条通道最终在催化中心汇合。

　　“水相中的糖和膜里的脂能够实现空间对接，在水-油交界面完成加工。”吴灿荣补充说，“UGCG对不同长度的神经酰胺反应表现不同，进一步印证了神经酰胺从膜侧进入的模型。”

　　其次，UGCG是否像许多糖基转移酶一样，需要金属离子稳定带电的中间产物呢？

　　出人意料的是，无论是在反应体系中加入镁离子、锰离子，还是用螯合剂把金属“扣走”，UGCG的催化效率都相差无几。

　　原来，UGCG进化出了一套纯靠蛋白质自身完成催化的办法。3个带正电荷的精氨酸残基共同形成电荷网络，直接“兜住”UDP-葡萄糖上带负电的二磷酸基团。位于两种原料交汇处的天冬氨酸残基（Asp236）则负责“激活”神经酰胺，使反应得以发生。

　　最后，UGCG周围的“油脂邻居”会不会影响它干活？

　　研究团队发现，一种叫磷脂酰丝氨酸（PS）的膜脂能明显改变UGCG活性，而其他几种常见膜脂则没有这种效果。PS会“挤进”神经酰胺原本使用的疏水通道，占着位置却不参与反应，从而给UGCG“踩下刹车”。

　　“这提示我们，对于UGCG这类‘住在膜里’的代谢酶来说，膜脂成分可能也参与调节糖鞘脂的合成速度。”蒋轶表示，“这为理解细胞如何把膜的成分和代谢联动起来提供了新线索。”

　　在解析UGCG结构的过程中，团队还意外发现了一个具有物种特异性的调控元件——位于催化口袋附近的第196位酪氨酸残基（Y196）。Y196就像一道门闩，当UGCG与UDP-葡萄糖结合时向上翻转，使通道相对收窄；当神经酰胺进入时，它向下转动，为脂质底物让出空间。

　　值得一提的是，在哺乳动物演化过程中，这个位点从一个较小的丝氨酸逐渐变成较大的酪氨酸，并在灵长类中稳定保留为酪氨酸。

　　“如果把人UGCG的Y196换回丝氨酸，酶对神经酰胺更亲和、反应更快，说明这个门闩起适度限流、精细调节反应速度的作用。”蒋轶强调，这并不意味着灵长类拥有另一套糖鞘脂合成路线，只是展现了一种更精细的进化调控，即灵长类靠Y196这一个残基的差异，微调了口袋的形状和酶的工作节奏。

　　药物用不同方式“掩上门”

　　综合分析所有实验结果后，徐华强团队提出了UGCG完整的“工作循环”模型。UDP-葡萄糖从细胞质一侧进入亲水口袋，神经酰胺从膜内侧横向滑入，Y196及周围区域随之发生构象变化，为反应搭好“舞台”。糖基转移反应完成后，副产物UDP被释放到细胞质中，生成的GlcCer则留在膜相，等待进入后续加工流程。

　　在此基础上，他们进一步解析了UGCG与多种代表性抑制剂结合的结构，试图看清药物究竟如何把这道“总闸门”关小。

　　研究结果显示，相关抑制性药物虽然都能减少GlcCer生成，但“下手”的位置并不相同。其中，艾格司他等主要堵住UGCG的疏水通道，让神经酰胺无法正确就位。麦格司他则结合在更靠近UDP-葡萄糖口袋的位置，扰乱糖供体一侧的工作。

　　可见，UGCG内部存在多个与两条底物通道相对应、可供药物结合的区域，为解释不同抑制剂在效力和选择性上的差异提供了直接的分子依据。

　　“这对新药设计很有意义。”徐华强指出，过去开发UGCG抑制剂主要靠大量化合物筛选和反复试错，现在可以直接比较不同药物的结合方式和选择性，从而更有针对性地设计出药代动力学、组织分布和适应证各不相同的新型药物。

　　徐华强同时强调，UGCG位于糖鞘脂代谢网络上游，抑制过强或作用范围过广，可能干扰糖鞘脂正常的生理功能。怎样将这道“闸门”关得恰到好处、让药物准确到达需要调节的组织，仍需进一步研究。