北京时间8月26日深夜，国际顶尖学术期刊《自然》在线发表了中国科学院上海药物研究所徐华强团队的最新研究成果。研究团队利用冷冻电镜技术，首次解析了人源糖鞘脂合成关键酶UGCG在8种不同工作状态下的高分辨率三维结构，系统揭示了这一“看门酶”如何同时抓取两种“性格”截然相反的原料完成催化反应，并意外发现了一个仅存在于灵长类动物（包括人类）中的精细“调节开关”。
这是徐华强团队今年发表的第3篇《自然》论文。
“标签系统”与“总闸门”
人体由数十万亿个细胞组成，每个细胞最外层都包裹着一层细胞膜。细胞膜上镶嵌着大量糖鞘脂分子——它们就像细胞“外衣”上的徽章和标签，帮助不同的细胞彼此识别、传递信号。
人体内的糖鞘脂达400余种，结构千变万化，但都以一种叫作“神经酰胺”的分子为骨架，再像搭积木一样接上不同的糖基。这套“标签系统”若出乱子，可能引发疾病——糖鞘脂代谢异常与戈谢病、泰—萨克斯病等溶酶体贮积病密切相关，也与神经退行性疾病、代谢性疾病和肿瘤有关。
数百种糖鞘脂虽然形态各异，却共享同一个生产起点。在细胞内部一个叫作“高尔基体”的加工车间里，有一种酶——UDP—葡萄糖神经酰胺葡萄糖基转移酶，简称UGCG。它就像整条生产线的“看门人”：决定神经酰胺是留在原地，还是被送入糖鞘脂加工网络。正因扼守着唯一的入口，其活性稍有变化，就会对细胞膜的组成和信号传递产生放大式的影响。也正因如此，UGCG是极具价值的药物靶点，对某些因糖鞘脂过度堆积而致病的患者，一种治疗思路是抑制UGCG、从源头减少产量，这种“底物减少疗法”已有多个药物获批或进入临床试验。
UGCG如此重要，科学家过去却一直“看不清”它长什么样、怎么干活。更棘手的是，它要处理的两种原料“性格”完全相反：UDP—葡萄糖溶于水，待在细胞质里；神经酰胺却是油性的，藏在细胞膜中。它究竟如何把这两种“井水不犯河水”的分子凑到一起完成反应？反应需不需要金属离子帮忙？这些最基本的问题，长期没有答案。
这一次，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，一举捕捉到完整人源UGCG在8种不同工作状态下的高分辨率结构，系统回答了这些问题。
灵长类特有的“门闩”
“第一道难题是，怎样让‘水里的’和‘油里的’原料相遇？”徐华强表示，结构显示，UGCG用几段跨膜螺旋把自己牢牢锚定在膜上，而真正干活的催化中心恰好停在水（细胞质）与油（膜）的交界处。它由此形成两条不同的“进料通道”：水溶性的UDP—葡萄糖从细胞质一侧进入亲水口袋；油性的神经酰胺则从膜内侧横向滑入一条疏水通道。两条通道最终在催化中心汇合。UGCG并非被动地在溶液里“捞”原料，而是巧妙利用自己横跨膜的身形，把水相里的糖和膜里的脂“空间对接”起来。
研究还带来一个惊喜。在催化口袋附近，有一个叫作Y196（酪氨酸196）的氨基酸残基，它会随着不同工作状态“翻转”：当UDP—葡萄糖结合时，它翘起来、部分挡住通道；当神经酰胺结合时，它又转下去、让出空间。它就像一道会开合的“门闩”，控制着油性原料能否顺利进入。
更有意思的是进化线索：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（包括人类）中稳定保留。实验显示，如果把人的Y196换回丝氨酸，酶反而对神经酰胺更“亲和”、反应更快——说明这个“门闩”平时其实起着适度“限流”、精细调节反应速度的作用。
“研究通过多个工作状态的结构，把UGCG的工作过程拆解成一连串清晰的分子事件，第一次为UGCG搭起了完整的结构与机制框架，也为理解人体糖鞘脂稳态以及针对相关疾病开发更精准的干预手段打下了新基础。”徐华强表示。
本报记者 郜阳
