细胞生成数百种不同的含糖脂质，称为糖神经酰胺。几乎所有这些合成过程都追溯到一种关键酶：UDP-葡萄糖神经酰胺葡萄糖基转移酶（UGCG），它催化糖神经酰胺生物合成途径中的一个重要早期步骤。这种门控酶在分子水平上的工作原理已经不清楚几十年。在《自然》杂志上，吴等人公布了UGCG在各种功能状态下的八种结构，这揭示了一种意想不到的催化机制，关于治疗药物如何抑制该酶的信息，以及仅在人类UGCG中发现的“刹车”特性。阅读论文：特定于灵长类动物的人类糖神经酰胺门控UGCG。UGCG位于高尔基体膜中，这是一种将蛋白质和脂质准备运输到目标位置的细胞器。UGCG催化反应的产物，葡萄糖基神经酰胺，是大多数复杂糖神经酰胺的前体。这些脂质可以形成筏——细胞膜中的有序微区，参与细胞间识别、粘附和信号传递。因此，糖神经酰胺代谢对于许多基本的细胞过程至关重要。然而，糖神经酰胺在溶酶体（细胞的废物处理系统）中异常积累可能导致代谢疾病，称为溶酶体贮积病，包括高氏病。糖神经酰胺代谢的紊乱也与神经退行性疾病有关。可以抑制UGCG的药物可以减少糖神经酰胺的生成，从而缓解由其积累引起的疾病。UGCG催化的反应看似简单。该酶将UDP-葡萄糖（一种在碳水化合物代谢中使用的化学构件）中的葡萄糖转移到称为神经酰胺的脂质上。然而，这两种酶底物位于不同的化学环境中：水溶性的UDP-葡萄糖在细胞质中，而神经酰胺嵌入高尔基膜中。那么，作为一种小型高尔基膜蛋白的UGCG如何将它们结合在一起呢？使用冷冻电子显微镜（cryo-EM），吴等人发现人类UGCG采用了一种意想不到的三维结构：它的三个跨膜α螺旋形成一个疏水隧道，使得神经酰胺能够从脂质双层进入酶，而隧道上方的一个水可接触口接收来自细胞质的UDP-葡萄糖。隧道和口袋在一个活性位点汇聚，使UGCG能够将葡萄糖连接到神经酰胺而不需要将整个脂质拉出膜。图1 | 协调糖神经酰胺生物合成的分子机械装置。吴等人报告了UDP-葡萄糖神经酰胺葡萄糖基转移酶（UGCG）的结构——一个糖神经酰胺生成的关键酶。UGCG位于一种名为高尔基体的细胞器的脂质双层中。一个疏水隧道使得酶的一个底物神经酰胺能够从脂质双层内进入UGCG。隧道上方的一个水可接触口从细胞质接收另一个底物（UDP-葡萄糖）。隧道和口袋在反应中心汇聚，UGCG在该区域催化将葡萄糖分子从UDP-葡萄糖转移到神经酰胺。在没有底物的情况下，一个笨重的氨基酸残基酪氨酸196（Tyr196）部分地阻挡隧道，但当神经酰胺进入时，它会旁移。UGCG属于一大类糖转移酶家族，其中大多数需要金属离子——通常是镁或锰离子——才能发挥作用。吴和同事的冷冻电子显微镜结构显示UGCG是这一规则的例外：在活性位点没有发现金属，即使在用于UGCG分析的溶液中镁也非常丰富。此外，UGCG缺乏相关酶用于固定金属离子的位置的酸性氨基酸残基。相反，作者发现几个带正电的精氨酸残基围绕UDP-葡萄糖中带负电的部分，从而发挥了类似金属离子的作用。吴等人显示，当将这两种精氨酸残基替换为不带电的残基时，酶在体外实验中的活性大幅降低，而向实验介质中添加金属离子或用金属螯合化合物去除金属则几乎没有影响。这些发现表明UGCG使用了一种金属独立的催化机制。植物膜在热应激下重新分配脂质以保持坚固。除了这种不寻常的催化机制外，人类UGCG的神经酰胺进入通道还有另一个显著特征。在没有神经酰胺的情况下，一个笨重的酪氨酸残基（Tyr196）部分地阻挡隧道，但当神经酰胺进入时它会旁移。这个残基在作者检查的所有灵长类动物UGCG蛋白中均存在，而非灵长类哺乳动物在此位置有一个较小的丝氨酸残基。当作者将人类UGCG中的Tyr196替换为丝氨酸时，浓度减少了。