戈谢病、法布里病等罕见病中，部分脂质会在细胞里越积越多。治疗的一条思路，就是从源头给这条脂质“生产线”踩下刹车。可这脚“刹车”究竟踩在哪儿、药物又是怎么起作用的，科学家们一直没有清晰答案。
北京时间8月26日，中国科学院上海药物研究所研究员徐华强团队在《自然》发表最新研究，把目光对准控制这条“生产线”源头的关键酶UGCG。借助冷冻电镜，团队捕捉到它在8种不同工作状态下的高分辨率结构。
我们身体里的每一个细胞，表面都覆盖着一层由脂类分子构成的“外衣”。其中，糖鞘脂就像外衣上的标签，帮助细胞彼此识别、传递信号，也参与神经和免疫系统的正常运转。人体内400多种糖鞘脂形态各异，却都从UGCG控制的第一步开始合成。“UGCG一旦发生变化，后面整条糖鞘脂合成网络都可能受到影响。”徐华强说。 两种“合不来”的原料，在哪里碰头？ UGCG最难研究的地方，首先在于它“住”得很特别。 它深深嵌在高尔基体膜里，处理的两种原料却分处两个环境。UDP-葡萄糖溶在细胞质的水环境中，神经酰胺则是油性的，藏在膜里。UGCG要做的，是把前者携带的葡萄糖转移给后者。一个在“水里”，一个在“油里”，两种几乎碰不到一起的分子究竟怎样完成反应，长期没有清晰答案。 UGCG的功能与整体结构 冷冻电镜拍下的结构，把这个交界面呈现了出来。UGCG用几段跨膜螺旋把自己固定在膜上，真正发生反应的催化中心恰好位于细胞质和膜的边界。两种原料各走各的路：UDP-葡萄糖从细胞质一侧进入亲水口袋，神经酰胺则从膜内横向滑入疏水通道，最后在催化中心汇合。 “最有意思的地方就在这里。一种原料在水里，一种原料藏在膜里，UGCG恰好把催化中心放在两者交界的位置，相当于给两种原料各开了一条路，最后把它们接到一起。”徐华强解释。 看清“在哪里碰头”之后，反应究竟怎么完成也有了答案。很多同类糖基转移酶需要镁、锰等金属离子帮忙，UGCG却不依赖金属。三个带正电的精氨酸残基像一个“正电摇篮”，稳住原料上带负电的磷酸基团；关键残基D236则位于两种原料交汇处，帮助反应发生。实验中，无论加入镁、锰，还是把金属离子“扣走”，UGCG的催化效率都变化不大。 过去看到的更多是反应的起点和终点，如今，中间那些看不见的步骤开始被拆成一个个具体的分子动作。 一脚“刹车”，一道“门闩”
把UGCG本身看清后，另一个问题随之浮现：住在膜里的酶，会不会也受到周围膜环境的影响？
答案藏在神经酰胺进入的通道里。研究人员发现，一种名为磷脂酰丝氨酸的膜脂会挤进这条通道，占住位置却不参加反应，相当于临时把入口堵住，让UGCG慢下来。局部膜脂的组成，因此可能直接影响糖鞘脂合成速度。对于这类生活在膜里的代谢酶，细胞膜本身也参与调节。
更意外的发现，藏在UGCG上的一个小小氨基酸位点。它位于第196位，被称为Y196。UDP-葡萄糖结合时，它向上翻起，部分挡住神经酰胺通道；神经酰胺一侧结合后，它又向下转动，把空间让出来。这个很小的动作，像一道会随工作状态开合的“门闩”。
灵长类特有的“门闩”Y196。a，不同状态下Y196的构象翻转：结合UDP-葡萄糖时向上、相对关闭，结合神经酰胺时向下、打开。b，哺乳动物中该位点由丝氨酸(S)变为酪氨酸(Y)的进化分析，显示灵长类中Y196的高度保守。c、d，把Y196换成丝氨酸(Y196S)后，酶对神经酰胺的亲和力提高、反应速率加快，印证其“限流”和调节作用。
沿着Y196追溯进化，团队发现了更特别的一层。哺乳动物演化过程中，这个位点逐渐由较小的丝氨酸变成酪氨酸，并在灵长类，包括人类中稳定保留下来。把人源UGCG的Y196换回丝氨酸后，酶反而更容易抓住神经酰胺，反应速度也更快。
这枚“门闩”没有改变糖鞘脂合成的基本路线，它调节的是节奏。一个氨基酸的差异，给原料入口增加了一点阻力，也让灵长类对UGCG的控制多了一层精细的“限流”。过去藏在进化中的差异，由此落到了一个可以直接观察和测量的分子动作上。
药物“卡”在哪里
UGCG怎样进料、怎样调节逐渐清楚后，研究人员也得以进一步看清另一个与治疗更直接相关的问题：药物究竟怎样让这道“总闸门”慢下来？
这个问题已经和真实的疾病治疗相连。依利格鲁司他和米格鲁特已用于部分1型戈谢病患者的治疗，米格鲁特在欧盟还用于尼曼-匹克C型病的进行性神经系统症状；另一种在研抑制剂ibiglustat，目前通用名称为venglustat，也在针对3型戈谢病等疾病开展研发。
徐华强团队解析了三种抑制剂与UGCG结合时的结构。结果很直观：它们都能让UGCG慢下来，堵的却不是同一个地方：依利格鲁司他和ibiglustat占住神经酰胺进入的通道，相当于把“脂”的入口堵住；米格鲁特则靠近UDP-葡萄糖这一侧，从“糖”的一端干扰反应。原料走两条路进入UGCG，药物也恰恰可以在不同入口“设卡”。
UGCG“工作循环”及药物抑制机制的示意模型。基于多种工作状态的结构与实验提出：UDP-葡萄糖从细胞质进入、神经酰胺从膜内侧向进入，伴随Y196区域的开合完成糖基转移，生成UDP和葡萄糖基神经酰胺并分别释放。图中绿色标示的状态为基于实验结构的推测，而非直接解析；原料结合与产物释放的先后顺序仍待确定。
“过去做UGCG抑制剂，很多时候要靠筛选、靠试。现在把药物到底卡在哪里看清了，后面的设计就可以更有针对性。”徐华强说。
有了这些高分辨率结构，研究人员可以直接比较不同药物与UGCG的结合方式，再据此考虑选择性、药代动力学、组织分布和适应证。过去需要在大量化合物中反复筛选，如今至少多了一张可以照着走的“结构地图”。
不过，这张“结构地图”还没有画完。冷冻电镜已经捕捉到8种工作状态，但静态的“分子照片”还不能告诉研究人员所有动作的先后顺序。比如，两种原料究竟谁先进入？反应完成后两个产物又按什么顺序离开？目前仍有待进一步看清。