近日，南科大生命科学学院龚欣团队最新的研究成果以“Ceramide sensing by human SPT-ORMDL complex for establishing sphingolipid homeostasis”为题发表在Nature Communications杂志上，揭示了人源SPT-ORMDL复合物通过感应鞘脂合成中间产物神经酰胺的水平，从而负反馈调控鞘脂合成的关键机制。
鞘脂（Sphingolipids）是哺乳动物细胞中的重要膜成分和生物活性分子，参与了多种重要的生命活动。生物体内鞘脂水平需要维持在一个平衡的状态，稳态失调可能导致多种疾病的发生，如肌萎缩侧索硬化症（ALS）、心血管疾病和神经退行性疾病等。哺乳动物鞘脂从头合成的第一步，是由内质网膜上的SPT复合物所催化的，ORMDLs蛋白是SPT的关键负调控蛋白，可以和SPT形成稳定的复合物并直接调控SPT的活性，从而调控细胞内鞘脂的稳态。在哺乳动物细胞中ORMDLs存在三种亚型ORMDL1/2/3，人源ORMDL3基因与儿童哮喘的易感性密切相关。SPT-ORMDL复合物在哺乳动物中的鞘脂生物合成、稳态调控以及多种病理生理过程中都起着至关重要的作用。为了阐明SPT-ORMDL复合物在哺乳动物中发挥作用的机制，龚欣课题组针对人源SPT-ORMDL复合物展开研究。
研究团队首先通过优化体外重组表达、纯化的方法获得了人源SPT-ORMDL复合物的蛋白，并且通过体外酶活实验发现SPT-ORMDL的活性可以被鞘脂生物合成途径中的重要中间产物神经酰胺抑制。为了研究神经酰胺调控SPT-ORMDL活性的结构基础，研究人员利用单颗粒冷冻电镜技术解析了人源SPT-ORMDL3复合物与神经酰胺结合的高分辨率三维结构（图1）。通过后续的生化实验，研究人员发现神经酰胺的结合对SPT活性的抑制具有重要作用，也证明了神经酰胺结合可以诱导并稳定ORMDL3的N端插入到底物结合位点，从而抑制SPT的活性。最后，研究人员还通过体外实验，证明了近几年报道的青少年ALS相关的SPT亚基突变，会导致SPT-ORMDL3突变体蛋白不能被神经酰胺有效抑制。
图1. 人源SPT-ORMDL3复合物与神经酰胺结合的整体结构
基于本研究中的结构和生化实验结果，研究人员最后提出了一个神经酰胺参与SPT-ORMDL复合物稳态调控的工作模型（图2）。在该模型中，SPT-ORMDL复合物作为一个内质网膜上的神经酰胺感受器，可以感知细胞中的神经酰胺水平。在神经酰胺水平比较低的时候，ORMDL的N端高度灵活，使得SPT-ORMDL复合物保持在活性状态，从而增加鞘脂的合成；随着神经酰胺水平的增加，神经酰胺与SPT-ORMDL复合物结合，诱导并稳定ORMDL的N端，形成抑制性构象，阻止底物进入，将复合物转化为非活性状态，使得鞘脂合成减少，以保持细胞中的鞘脂稳态。研究人员也指出，ALS相关的SPT突变体不能正常地感知神经酰胺水平，导致SPT活性不受调节、不受限制的生物鞘脂合成。这些结果表明，在哺乳动物中SPT-ORMDL复合物作为调控鞘脂稳态的神经酰胺感受器，对生物体的健康至关重要。另外，这项研究提出的感知机制，也为生物体内其他生物合成途径的稳态调控提供重要参考。
图2. 哺乳动物中鞘脂合成稳态调控的工作模型
南科大生命科学学院研究副教授谢田、博士研究生刘鹏为本论文的共同第一作者，龚欣副教授与美国弗吉尼亚联邦大学Binks W. Wattenberg教授为论文的共同通讯作者。南科大为论文第一单位。该工作得到了国家自然科学基金、广东省科技厅、深圳市科创委的资助。冷冻电镜数据收集和处理得到了南科大冷冻电镜中心的支持，质谱实验得到了分析测试中心的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39274-y
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