Nature | 徐华强/蒋轶/吴灿荣团队揭示糖鞘脂合成看门酶UGCG的灵长类特异性调控机制

糖鞘脂（glycosphingolipids,GSLs）是真核细胞膜中一类重要且高度多样化的脂质分子。以神经酰胺（ceramide）为疏水骨架，通过不同糖基的逐级添加、延伸和修饰，细胞能够产生数百种结构不同的糖鞘脂。这些分子不仅是细胞膜的重要组成部分，还广泛参与膜微区组织、细胞识别与黏附、受体信号转导以及免疫和神经系统功能。糖鞘脂代谢异常与溶酶体贮积病、神经系统疾病、代谢性疾病和肿瘤等多种人类疾病密切相关。

尽管糖鞘脂具有极为丰富的结构和功能，其生物合成却共享一个关键起点。位于高尔基体膜上的UDP-glucose ceramide glucosyltransferase（UGCG）催化葡萄糖从UDP-glucose转移至ceramide，生成glucosylceramide（GlcCer）。GlcCer随后可被进一步糖基化和修饰，生成乳糖基神经酰胺、神经节苷脂以及其他复杂糖鞘脂。因此，UGCG控制着ceramide是否进入复杂GSL合成网络，被认为是糖鞘脂生物合成的关键“看门酶”（gatekeeper）。

UGCG同时也是具有重要临床价值的药物靶点。通过抑制UGCG、降低GlcCer及其下游糖鞘脂的生成，已经成为部分糖鞘脂贮积性疾病的重要治疗策略。然而，与UGCG突出的生理和药理意义相比，其最基本的分子机制长期缺乏清晰的结构解释：UGCG如何同时识别位于胞质中的水溶性UDP-glucose和嵌于脂质双层中的疏水性ceramide？糖基转移反应如何在膜—水界面完成？膜脂环境是否参与调控UGCG活性？现有UGCG抑制剂又分别通过什么机制阻断这一过程？

2026年8月26日，中国科学院上海药物研究所徐华强、吴灿荣和临港实验室蒋轶团队（论文共同第一作者为吴灿荣、金三珊）在Nature上发表了文章Primate-specific regulation of the human glycosphingolipid gatekeeper UGCG。值得关注的是，这是徐华强教授团队2026年发表的第三篇Nature研究论文（详见BioArt报道：；）。研究团队通过冷冻电镜、定量酶学、结构导向突变、药理学分析和分子动力学模拟等手段，获得了全长人源UGCG多个不同功能状态的高分辨率结构，系统揭示了UGCG识别双底物、催化糖基转移、感知膜脂以及结合不同类型抑制剂的分子基础，并进一步发现了灵长类UGCG特有的催化调控机制（图1）。

图1. 人源UGCG的功能、整体结构及不同功能状态。 a，UGCG定位于高尔基体膜，催化UDP-glucose中的葡萄糖转移至ceramide，生成glucosylceramide（GlcCer）和UDP；GlcCer是400余种糖鞘脂合成的共同前体。Miglustat、eliglustat和ibiglustat为代表性的UGCG抑制剂。b，冷冻电镜解析的人源UGCG不同功能状态，包括apo、UDP/C6-ceramide、UDP-glucose、UDP-glucose/PS、UDP以及与eliglustat、ibiglustat和miglustat结合的结构。c，UGCG的跨膜拓扑及整体三维结构。d，UGCG与Chlorella virus hyaluronan synthase（PDB: 7SP7）的整体结构比较。

一端连接胞质，一端连接膜：UGCG如何让两类底物“相遇”？

UGCG所催化的反应具有一个特殊的空间难题。

糖基供体UDP-glucose是水溶性分子，来自胞质侧；而另一个底物ceramide则具有长疏水脂肪链，主要存在于脂质双层之中。UGCG因此必须同时从水相和膜相获取底物，并将二者精确定位到同一个催化中心。

研究解析的全长UGCG结构显示，UGCG通过多条跨膜螺旋锚定于膜中，而其催化区域位于胞质与膜的交界处。这一特殊的结构布局使UGCG能够形成两条性质不同但彼此汇聚的底物路径：UDP-glucose从胞质侧进入亲水性的糖核苷酸结合区域，而ceramide则可以由脂质双层侧向进入与膜相连的疏水通道。

两条底物路径最终在UGCG催化中心汇合。

这一结构模型解释了一个长期存在的问题：UGCG并不是简单地从溶液中捕获两个底物，而是利用自身跨膜结构将胞质中的糖基供体与膜中的脂质受体进行空间耦联，从而在膜—水界面完成糖基转移。

研究进一步比较不同链长ceramide后发现，UGCG对不同脂质底物表现出不同的反应特征，也进一步支持ceramide通过膜侧通道接近催化中心的模型。

不依赖金属离子的UGCG催化机制

在解析底物进入路径的基础上，研究进一步揭示了UGCG进行糖基转移的化学机制。

结构显示，UDP-glucose被精确固定在UGCG胞质侧的催化口袋中。其中，R272、R275和R376等带正电的关键残基形成稳定糖核苷酸二磷酸基团的相互作用网络。与许多糖基转移酶不同，UGCG完成这一过程并不依赖典型的金属离子辅助。

位于催化中心的D236则处于连接UDP-glucose与ceramide反应中心的关键位置。结合结构、突变及功能实验，研究支持D236作为关键催化残基参与活化ceramide羟基，使其能够对UDP-glucose的糖基发生亲核进攻，最终形成GlcCer。

此外，由370–378位残基形成的β-hairpin位于糖基供体结合区域附近。结构和功能分析表明，该区域并非一个静态的结构元件，而与UDP-glucose的识别和稳定密切相关。对该区域进行结构扰动会明显削弱UDP-glucose结合及UGCG活性。

由此，研究建立了一个相互衔接的催化框架：糖基供体结合—脂质底物进入—催化残基活化—糖苷键形成，为理解这一重要膜结合糖基转移酶的工作原理提供了直接的结构依据。

UGCG不仅识别底物，还能“感知”周围膜脂

由于UGCG直接嵌入高尔基体膜中，其周围的脂质环境是否会影响酶活性，是另一个值得关注的问题。

研究人员在UGCG结构中观察到与磷脂相符合的脂质密度。进一步结合不同磷脂的功能筛选发现，磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine, PS）能够明显调节UGCG活性，而PC、PE、PG及DAG等脂质并未表现出相同效应。

结构分析提示，PS可进入邻近ceramide结合路径的区域，从而形成一种非生产性的脂质占位状态。分子动力学模拟和生化实验进一步支持这一模型。

这一结果意味着，对于UGCG这样的膜内代谢酶而言，脂质双层可能并不只是提供被动的反应环境。局部膜脂组成本身可能影响底物进入和酶的催化状态，从而参与调节糖鞘脂合成通量。

这也为理解细胞如何将“膜脂组成”与“膜脂代谢”进行反馈耦联提供了新的结构线索。

Y196构成灵长类UGCG特有的催化“门控”

在高度保守的核心催化机制之外，研究还发现了一个出人意料的物种特异性调控元件。

结构比较显示，Y196位于双底物结合区域的关键位置，并随底物状态发生明显构象变化。在UDP-glucose结合态中，Y196采取向上、相对封闭（upward-occluded）的构象，部分限制底物口袋空间；而在UDP/C6-ceramide结合态中，Y196转为向下、开放（downward-open）的构象，从而扩展脂质底物结合区域。相比之下，AlphaFold3预测的小鼠UGCG中对应的S196呈现更开放的局部构象。

进一步的系统发育分析显示，196位点在哺乳动物进化过程中发生了特征性的S-to-Y替换，并在灵长类UGCG中形成保守的酪氨酸。功能实验表明，将人源UGCG的Y196替换为丝氨酸后，ceramide底物的表观Km降低、最大反应速率升高，支持Y196作为一个局部催化“门控”限制底物进入并精细调节酶的催化动力学（图2）。

这些结果表明，UGCG在进化过程中保留了高度保守的核心催化体系，同时可以通过催化口袋附近单个关键残基的变化，对底物识别和催化效率进行精细调节。

因此，论文所强调的“primate-specific regulation”并不是指灵长类动物采用了不同的糖鞘脂合成途径，而是揭示了更精细的进化调控方式：在保持UGCG基本催化化学不变的前提下，灵长类特异的Y196能够改变局部口袋构象和酶动力学特征。

图2. Y196介导的灵长类UGCG特异性催化调控。 a，人源UGCG不同底物结合状态下Y196的构象变化：在UDP-glucose结合态中，Y196呈向上、相对封闭（upward-occluded）构象；在UDP/C6-ceramide结合态中，Y196转为向下、开放（downward-open）构象。AlphaFold3预测的小鼠UGCG中对应S196呈开放构象。b，哺乳动物UGCG 196位点的系统发育分析，显示S-to-Y替换事件及灵长类中Y196的保守性。c，野生型人源UGCG与Y196S突变体在不同NBD-C6-ceramide浓度下的底物转化。d，野生型与Y196S突变体的酶动力学分析，Y196S表现出降低的表观Km和升高的最大反应速率，支持Y196对底物进入和催化效率的门控作用。

三类UGCG抑制剂，阻断的是催化过程中的不同环节

UGCG不仅是基础脂质生物学研究的重要对象，也是经过临床验证的药物靶点。

研究进一步获得了UGCG与多种代表性抑制剂结合的结构，发现不同药物虽然最终都抑制GlcCer生成，但其作用方式并不相同。

其中，eliglustat和ibiglustat主要结合于与ceramide识别相关的疏水通道。它们通过占据脂质底物的结合空间，阻止ceramide以正确方式进入催化中心。

相比之下，miglustat则结合于更靠近UDP-glucose识别区域的位置，从另一侧干扰UGCG完成催化循环。

因此，不同类别的UGCG抑制剂实际上分别靶向了酶催化过程中的不同环节：一种策略是阻断脂质底物进入，另一种策略则是干扰糖基供体一侧的催化环境。

这种差异对于UGCG药物设计具有重要意义。过去UGCG抑制剂的开发更多依赖化合物筛选和药效优化，而此次获得的多个高分辨率复合物结构，使研究者能够直接比较不同药物的结合模式、关键相互作用和选择性决定因素。

未来，围绕糖基供体口袋、ceramide进入通道以及膜脂调控区域进行结构导向设计，有望发展具有不同药代动力学特征、组织分布以及疾病适应证的新型UGCG调节剂。

综合不同底物和抑制剂结合状态的结构与功能结果，研究进一步提出了UGCG催化循环的工作模型（图3）。UDP-glucose可从胞质侧进入糖基供体结合口袋，而ceramide则可能从膜内通过侧向通道进入催化中心；伴随底物结合，Y196及其周围区域发生构象变化，为双底物形成催化组装提供结构基础。反应完成后，UDP与GlcCer分别向胞质侧和膜内释放。Miglustat主要干扰糖基供体口袋的有效结合，而eliglustat和ibiglustat则占据ceramide进入的侧向通道。需要指出的是，目前结构尚不能确定两种底物结合以及两个产物释放的严格先后顺序。

图3. UGCG催化循环及药物抑制机制的工作模型。 基于不同功能状态的结构和生化结果提出的人源UGCG催化模型。Apo状态下，Y196处于向上、相对封闭（upward-occluded）的构象。UDP-glucose可从胞质侧进入糖基供体结合口袋，而ceramide可能从高尔基体膜内通过侧向底物通道进入催化中心。底物结合伴随Y196区域由upward-occluded向downward-open构象转变，从而形成推测的催化组装状态；反应完成后生成UDP和glucosylceramide，并分别向胞质侧和膜内释放。Miglustat主要阻碍糖基供体口袋的有效结合，而eliglustat和ibiglustat主要阻断ceramide侧向通道的进入。绿色标示的催化组装及产物样状态为基于实验结构推测的模型，而非直接解析的结构；目前底物结合及产物释放的先后顺序仍未确定。

从一个膜上糖基转移反应理解糖鞘脂稳态

从数百种结构复杂的糖鞘脂向上追溯，其生物合成最终汇聚到UGCG催化的这一关键起始步骤。

本研究通过多个功能状态的结构，将UGCG的工作过程拆解为一系列彼此衔接的分子事件：UDP-glucose如何从胞质侧进入、ceramide如何从膜中侧向进入、两个底物如何在膜—水界面汇合、糖基转移反应如何发生、周围膜脂如何影响底物占位，以及不同药物如何在不同位置阻断催化过程。

这些发现不仅建立了UGCG催化和调控的结构框架，也进一步将糖鞘脂生物合成、膜脂环境、进化调控和药物作用机制联系到同一个分子体系之中，为理解糖鞘脂稳态及开发针对相关疾病的干预策略提供了新的基础。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10927-4

制版人： 十一

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