生物体的膜系统是主要由磷脂和胆固醇构成的脂质双分子层，其为细胞提供了一个功能性物理屏障，用以分隔细胞内外环境并形成细胞内的各种亚细胞结构。鞘磷脂是膜脂的重要组分，其在细胞膜系统中的含量决定了细胞的机械强度，并可对膜内的蛋白质活性发挥调控作用。除作为结构成分之外，鞘磷脂还可以作为神经酰胺、鞘氨醇等信号分子的储库而参与细胞信号转导，此外还能与胆固醇共同形成特定的细胞膜微域即脂筏，从而为GPCR、离子通道等重要膜蛋白的功能调节提供多样的微环境。鞘磷脂的存在大大增加了生物膜系统的复杂性，是具有重要生物学意义的脂质分子之一。

        鞘磷脂生物合成的终末步骤由鞘磷脂合酶（sphingomyelin synthase，SMS）家族蛋白催化完成。该家族包含三个成员：催化磷脂酰胆碱来合成鞘磷脂（神经酰胺磷酸胆碱）的SMS1和SMS2以及催化磷脂酰乙醇胺来合成鞘磷脂（神经酰胺磷酸乙醇胺）的SMSr。鞘磷脂合酶的功能失调可造成脂代谢紊乱，从而引发严重病理后果。例如SMS1的缺失可能会导致听力障碍甚至小鼠胚胎致死，对比之下抑制SMS2可能是抗动脉粥样硬化治疗的更好选择，其在小鼠中的缺失能改善对高脂饮食的耐受以及胰岛素敏感性。而目前SMSr相关的功能研究较缺乏，最新发现其似乎可以作为内质网中神经酰胺水平的调节因子，防止神经酰胺从内质网溢出到线粒体引起的细胞凋亡。虽然鞘磷脂合酶家族蛋白在机体脂质代谢过程中有着重要的作用，但是这一酶家族长期以来缺乏精确的结构信息作为相关疾病治疗药物的精确指导，这成为了研究者设计开发具备高特异性鞘磷脂合酶抑制剂的难点。

        2024年2月22日，上海精准医学研究院曹禹研究员带领团队在Nature Structural & Molecular Biology杂志上在线发表题为Cryo-EM structure of human sphingomyelin synthase and its mechanistic implications for sphingomyelin synthesis的研究论文，解析了人源鞘磷脂合酶SMSr六聚体空载态、神经酰胺结合态、磷脂酰乙醇胺水解态、鞘磷脂水解态四种工作状态的高分辨率结构，在此基础上提出了鞘磷脂合成反应的催化机制。这项研究首次从结构生物学角度明确了鞘磷脂合酶家族蛋白的催化机制，为深入了解鞘磷脂合成过程提供了具体的见解。

        该研究发现，hSMSr在膜上可形成同源六聚体结构，其六聚体由三组排列相同的二聚体发生进一步三聚化形成（2×3构型）。同时存在一定比例的四聚体（2×2构型）和八聚体（2×4构型），显示出SMSr聚合处于高度的动态之中。通过hSMSr添加底物的结构，确定每一个鞘磷脂合酶分子均形成一个独立的催化单元，每个催化单元内包含一个催化腔室，该催化腔室由两部分组成：处于深入内质网膜区域的亲脂性区段（Segment L）以及处于靠近内质网腔的亲水性区段（Segment H）。通过后续结构分析和生化实验验证，研究者提出了E-H/D-H-D五联体反应中心催化鞘磷脂合成的化学机制。由于催化腔室的空间限制，这一合成反应分两步进行：磷脂酰乙醇胺或磷脂酰胆碱水解反应催化产生二酰基甘油和磷酸胆碱或磷酸乙醇胺（PC-PLC或PE-PLC活性）；二酰基甘油被神经酰胺取代后，余下的磷酸胆碱或磷酸乙醇胺与神经酰胺成键产生鞘磷脂（转移酶活性）。同时，研究人员通过比对鞘磷脂合酶家族蛋白三个成员的氨基酸序列保守性，以及对磷酸头基所在的腔室表面氨基酸进行了同源点突变，获得了具有利用磷脂酰胆碱为底物合成鞘磷脂的SMSr工程改造酶，其鞘磷脂合酶活性工程化改造将有助于提高对鞘磷脂生物合成过程的理解，并进一步为鞘磷脂合酶家族蛋白抑制剂的设计与优化提供指导。

        本项研究结合结构生物学与生物化学方法和手段，揭示了人类鞘磷脂合酶的结构与聚合态变化，并深入阐明了其识别和结合反应底物的结构细节，以及催化鞘磷脂合成的反应原理，为人们深入了解鞘磷脂合成通路以及发现靶向于该通路的药物奠定了基础。

        该论文的第一作者为上海第九人民医院精准医学研究院的博士生胡可欣同学、张庆博士、研究助理陈阳以及复旦大学药学院的博士生杨金童同学，该项研究由上海第九人民医院精准医学研究院的曹禹团队与骨科赵杰团队、复旦大学药学院的周璐教授团队以及上海仁济医院衰老与组织修复研究院的姚德强副研究员合作完成。本文研究项目还获得了精准医学研究院电镜中心以及美国纽约州立大学下州医学中心蒋宪成教授的支持与协助。

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        https://www.nature.com/articles/s41594-024-01237-2