Nature | 临港实验室合作揭示糖鞘脂合成“看门酶”UGCG的催化与调控机制

    糖鞘脂（glycosphingolipids, GSLs）是细胞膜的重要组成成分，广泛参与细胞识别、黏附、信号转导以及神经和免疫功能调控。尽管人体内已发现超过400种结构多样的糖鞘脂分子，其生物合成都起始于同一关键步骤：UDP-葡萄糖神经酰胺葡萄糖基转移酶（UGCG）催化UDP-葡萄糖向神经酰胺转移，生成葡萄糖基神经酰胺（GlcCer）。因此，UGCG被视为糖鞘脂合成通路的“看门酶”，其活性调控直接影响糖鞘脂稳态。

    糖鞘脂代谢异常与多种溶酶体贮积病、神经退行性疾病、代谢性疾病及肿瘤密切相关。作为经临床验证的重要药物靶点，UGCG抑制策略已被用于降低糖鞘脂合成并治疗相关疾病。然而，由于UGCG是一类膜结合酶，需要同时识别水溶性的UDP-葡萄糖和膜内疏水性的神经酰胺，其底物识别、催化机制及药物作用模式长期缺乏系统性的结构解析。

    北京时间2026年8月26日，临港实验室蒋轶研究员团队联合上海交通大学附属瑞金医院徐华强和吴灿荣教授团队，在《Nature》发表题为“Primate-specific regulation of the human glycosphingolipid gatekeeper UGCG”的研究论文。这是近年来临港实验室蒋轶团队继重要疾病靶标——去甲肾上腺素转运体（Nature，2024；Cell，2025）和糖蛋白激素受体（Nature，2022）研究基础上的又一项重要成果。研究团队利用冷冻电镜解析了完整人源UGCG在8种功能状态下的高分辨率结构，并结合定量酶学、定点突变、药理学分析及分子动力学模拟等多种手段，系统揭示了UGCG的底物识别机制、金属非依赖性催化模式、膜脂调控机制、进化调节特征以及临床相关抑制剂的作用基础。

图1. UGCG的功能与整体结构。本研究解析了UGCG在多种底物、产物、膜脂及抑制剂结合状态下的冷冻电镜结构，建立其催化与药物调控的结构框架。

多状态结构揭示UGCG跨膜催化机制及膜脂调控方式

    结构分析表明，UGCG的催化中心位于细胞质与膜的界面处，并形成两条性质不同的底物进入通路：水溶性的UDP-葡萄糖从细胞质侧进入亲水供体口袋，疏水性的神经酰胺则从膜内侧横向进入受体通道，两种底物最终在催化中心汇合。这一结构特征阐明了UGCG如何在膜-水界面同时处理化学性质截然不同的两类底物。

    进一步研究发现，UGCG采用不同于许多经典糖基转移酶的金属非依赖性催化方式。R272、R275和R376形成富正电环境，用于稳定UDP-葡萄糖的磷酸基团；D236位于两种底物交汇区域并参与催化。酶学实验显示，镁、锰离子或金属螯合条件对UGCG催化效率影响有限，支持其不依赖金属离子的反应机制。

    研究还发现，膜脂组分可直接调控UGCG活性。磷脂酰丝氨酸（PS）能够进入神经酰胺受体通道并形成非生产性占位，从而对UGCG产生抑制作用。这一结果提示，局部膜脂组成并非只是酶反应发生的背景环境，而可能直接参与糖鞘脂合成速率的调控。

    此外，研究团队在催化区域附近鉴定出具有进化保守特征的Y196调控位点。不同配体状态下，Y196可在“关闭”和“开放”构象之间转换；Y196突变为丝氨酸后，UGCG对神经酰胺表现出更高的表观亲和力，并伴随催化速率提升。进化分析显示，该位点在灵长类动物中高度保守为酪氨酸，提示其可能作为精细调节UGCG活性的关键结构元件。

图2. Y196的构象变化及进化调控。结构、进化分析与酶学结果支持Y196参与调节神经酰胺进入及UGCG反应速率。

解析临床相关抑制剂结合模式，提出UGCG工作循环模型

    UGCG是糖鞘脂底物减少疗法（substrate reduction therapy）的核心靶点之一。研究团队进一步解析了UGCG与多种代表性抑制剂，包括米格鲁特（miglustat）、依利格鲁司他（eliglustat）以及伊比格鲁司他（ibiglustat）的结合结构，揭示了不同类型药物分子调控UGCG活性的结构基础。

    结构分析发现，尽管这些抑制剂均能够降低GlcCer生成，但其作用区域存在明显差异。其中，依利格鲁司他和伊比格鲁司他主要占据神经酰胺进入的疏水受体通道，通过阻断脂质底物正确定位发挥抑制作用；米格鲁特则结合于更靠近UDP-葡萄糖供体结合区域的位置，从另一侧干扰催化反应。

    这些结构结果首次从分子层面展示了不同UGCG抑制剂的作用模式，为理解已有药物的选择性和作用机制提供了直接依据，并为未来基于结构的抑制剂优化、改善药代动力学性质及组织分布特征提供了重要指导。

    综合多种结构状态和功能实验结果，研究团队进一步提出了UGCG动态工作循环模型：UDP-葡萄糖首先由细胞质侧进入供体结合口袋，神经酰胺随后从膜内侧进入受体通道；伴随Y196及周围区域发生构象变化，糖基转移反应得以完成，最终UDP和GlcCer分别释放至细胞质和膜环境中。研究同时指出，目前结构研究尚不能完全确定两种底物结合以及两个产物释放的严格时间顺序，部分催化过程仍属于基于实验结果提出的机制模型。

图3. UGCG“工作循环”及药物抑制机制模型。

总结与展望

    本研究通过多状态高分辨率结构解析，系统呈现了完整人源UGCG的催化过程，将底物识别、金属非依赖催化、膜脂调控、进化调节以及药物作用机制整合到统一的分子框架中。相关发现不仅深化了对糖鞘脂合成及膜脂稳态调控机制的认识，也为针对UGCG开展更加精准的药物设计和疾病干预策略提供了重要结构基础。

    临港实验室蒋轶研究员、上海交通大学附属瑞金医院徐华强和吴灿荣教授为该研究的共同通讯作者，吴灿荣和临港实验室与上海科技大学联合培养博士生金三珊为该论文的共同第一作者。该研究得到了科技部、基金委和上海市科委等基金项目的支持。