糖鞘脂（glycosphingolipids，GSLs）是细胞膜的重要组成成分，广泛参与膜微区组织、细胞信号转导、免疫识别、细胞分化及神经功能等生理过程。人体中存在数百种结构各异的糖鞘脂，但如此复杂的脂质谱系均起始于同一个关键反应：UDP-葡萄糖神经酰胺葡萄糖基转移酶（UDP-glucose ceramide glucosyltransferase，UGCG）利用UDP-葡萄糖将葡萄糖基团转移至神经酰胺，生成葡萄糖基神经酰胺。后者是绝大多数复杂糖鞘脂继续合成的共同前体。因此，UGCG位于整个糖鞘脂合成网络的入口，被视为控制糖鞘脂合成规模和组成的“看门酶”。尽管UGCG具有重要的生理和药理学意义，其如何同时识别水溶性的糖供体和膜内疏水性脂质底物，并完成糖基转移反应，长期缺乏系统的分子机制解释。

近日，中国科学院上海药物研究所徐华强团队联合上海交通大学医学院附属瑞金医院吴灿荣团队、临港实验室蒋轶团队等，在国际学术期刊Nature发表题为“Primate-specific regulation of the human glycosphingolipid gatekeeper UGCG”的研究论文。研究通过捕获人源UGCG多个关键功能状态，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，阐明了这一糖鞘脂合成“看门酶”如何在细胞膜与胞质交界处协调糖供体和脂质受体完成催化。

研究团队利用单颗粒冷冻电镜技术解析了全长人源UGCG的8个功能状态，整体分辨率达到2.9–3.4 Å。这些结构覆盖无配体状态、UDP及UDP-葡萄糖结合状态、神经酰胺相关状态、磷脂占位状态，以及不同抑制剂结合状态。结构显示，UGCG具有此前未被认识的三次跨膜架构，其胞质侧GT-A型糖基转移酶催化核心被精准锚定于膜表面，并形成一个由亲水区和疏水区共同构成的“双通路”活性中心。其中，UDP-葡萄糖从胞质侧进入亲水性供体结合口袋，而神经酰胺则从脂质双层中侧向进入膜内疏水通道。两条底物通路最终汇聚于同一反应中心，从而解决了UGCG如何同时处理水溶性糖供体和膜内脂质底物这一关键问题。

进一步研究发现，UGCG采用了不同于经典GT-A家族糖基转移酶的催化策略。经典GT-A酶通常依赖Mg²⁺或Mn²⁺等二价金属离子稳定核苷酸糖的二磷酸基团，而UGCG并未表现出这一典型的金属依赖模式。结构和功能实验表明，UGCG主要利用由Arg272和Arg275等带正电残基构成的电荷网络直接稳定UDP-葡萄糖的二磷酸基团。在有无Mg²⁺、Mn²⁺以及金属离子螯合条件下，UGCG均保持相近的催化周转能力，支持其采用金属非依赖性催化机制。与此同时，Asp236位于糖供体和脂质受体之间，是组织催化反应中心的关键残基。结合结构比较和突变实验，研究进一步建立了UGCG进行反转型糖基转移的分子模型。

除催化核心外，研究还揭示了UGCG底物识别过程中的动态调控机制。C端β-hairpin可响应UDP-葡萄糖结合并参与供体口袋重塑；膜侧的Tyr196则随神经酰胺通道占据发生明显构象变化。进化分析发现，该位点在灵长类中主要为酪氨酸，而多数非灵长类哺乳动物为较小的丝氨酸。将人源UGCG的Tyr196替换为丝氨酸后，神经酰胺利用和催化周转均有所增强，提示灵长类进化过程中在保守催化体系之外增加了一层精细的活性调节机制。

值得注意的是，研究还从结构层面解释了不同UGCG抑制剂的作用方式。高效抑制剂eliglustat和ibiglustat主要进入膜内神经酰胺通道，从而直接阻断脂质底物进入催化中心；而miglustat则主要占据亲水性的UDP-葡萄糖结合口袋。功能实验进一步支持了这些不同的竞争模式。这表明，UGCG并非只有单一的药物结合位点，而是具有与糖供体和脂质受体通路相对应的多个可药理干预区域，为理解不同类型UGCG抑制剂的效力和选择性提供了直接的分子基础。

该研究从多个功能状态出发，建立了UGCG作为糖鞘脂合成“看门酶”的完整分子机制框架，将膜内脂质进入、核苷酸糖识别、催化反应、构象调控以及药物抑制统一到同一结构体系中。由于葡萄糖基神经酰胺可进一步生成数百种下游糖鞘脂，UGCG活性的改变可能在整个细胞膜脂质网络中产生放大效应。糖鞘脂代谢失衡与溶酶体贮积病、神经退行性疾病等多种疾病密切相关，而糖鞘脂本身又承担重要的正常生理功能。因此，对UGCG进行精确而非简单的“完全关闭”式调控具有潜在药理学价值。本研究定义的催化中心、神经酰胺进入通道以及多个抑制剂结合位点，为进一步开发具有更高效力、选择性和调控精度的新一代UGCG药物提供了重要基础。

本研究的冷冻电镜数据在上海市高峰电镜中心300KV Titan Krios G4 和冷场Falcon IV电镜收集。上海药物所徐华强研究员、临港实验室蒋轶研究员和上海交通大学医学院附属瑞金医院医药结构生物转化中心吴灿荣副研究员为共同通讯作者。吴灿荣和临港实验室金三珊为该论文的共同第一作者。

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

图示：UGCG整体结构及催化机制模式图，展示胞质侧UDP-葡萄糖结合口袋、膜内神经酰胺进入通道以及不同抑制剂的结合位置

（图片说明：糖鞘脂合成“看门酶”UGCG通过两个不同的底物通路协调胞质侧UDP-葡萄糖和膜内神经酰胺完成催化；不同类型UGCG抑制剂则通过占据糖供体口袋或神经酰胺通道实现药物调控。）

（供稿部门：徐华强课题组；审核：刁文桐；责编：宋文珂）