近日，南方科技大学生命科学学院副教授龚欣课题组在前期解析人源SPT-ORMDL3复合物结构和功能的基础上，进一步针对拟南芥的SPT-ORM1复合物展开研究。以“Mechanism of sphingolipid homeostasis revealed by structural analysis of Arabidopsis SPT-ORM1 complex”为题在Science Advances杂志上发表研究论文，揭示了植物鞘脂合成稳态调控的关键机制。
鞘脂（Sphingolipids）是所有真核细胞中的重要膜成分和生物活性信号分子，参与了多种重要的生命活动。生物体内鞘脂的水平需要维持平衡，过多或过少都会对生物体的正常生长和对外界环境的响应产生不利影响。在动物体内，鞘脂稳态失调可能导致多种疾病，如癌症、心血管疾病和神经退行性疾病等。而在植物体内，鞘脂水平的稳态调节为植物体调节自身生长和应对各种生物和非生物的胁迫非常关键。所有真核生物鞘脂合成的第一步，也是整个鞘脂合成过程的限速步骤，是由内质网膜上的SPT复合物所催化的。ORM/ORMDL蛋白是SPT活性稳态调控的关键蛋白家族，在所有真核生物中都保守存在。2021年龚欣课题组报道了人源SPT-ORMDL3复合物apo、底物结合的结构揭示了该酶的整体组装和底物选择性的分子机制（Liet al., Nat. Struct. Mol. Biol., 2021）。然而，ORM/ORMDL蛋白如何根据细胞内鞘脂水平调控SPT活性，在所有真核生物中仍然是一个谜。
研究团队首先通过重组表达、纯化获得了性质均一的拟南芥SPT-ORM1复合物蛋白，并利用单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了拟南芥SPT-ORM1复合物的三维结构（图1）。有意思的是，研究人员在三维结构中观察到明显的脂质分子密度，并通过后续的一系列研究将其确定为来自于细胞内源的神经酰胺分子。通过将神经酰胺结合位点突变和相应的生化实验，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ORM1的 N末端处于一个抑制底物结合的构象，从而降低SPT的活性。
图1. 拟南芥SPT-ORM1复合物与神经酰胺结合的整体结构
基于该研究中的结构生物学发现和大量的生化实验，研究人员最后提出了一个在拟南芥中SPT活性稳态调控的工作模型（图2）。在该模型中，ORM1可以利用其N端竞争性地抑制SPT，降低SPT对底物的亲和力。该模型中更为重要的是，SPT-ORM1复合物可以作为内质网中的神经酰胺感受器（ceramidesensor），通过感知内质网膜中神经酰胺的含量来控制SPT的活性：当神经酰胺水平不足时，ORM1的N端片段高度柔性，不能有效抑制底物的结合，使得鞘脂合成增加以恢复鞘脂稳态；随着鞘脂合成的增加，神经酰胺积累到高于细胞所需的水平，神经酰胺会与SPT-ORM1复合物结合并诱导ORM1的N端和LCB2a的N端之间形成β-折叠片，将ORM1的N端片段稳定在抑制底物结合的构象，从而下调鞘脂的合成。最后，通过分子对接分析，研究人员发现针对拟南芥SPT-ORM1复合物提出的通过神经酰胺感应调节鞘脂稳态的机制，可能也存在于人源SPT-ORMDL复合物中，因此该研究为后续研究其他高等生物中鞘脂合成稳态的调控机制提供了重要的参考。
图2. 拟南芥SPT活性稳态调控的工作模型
南科大生命科学学院博士研究生刘鹏、研究副教授谢田为本论文共同第一作者，龚欣为论文通讯作者。美国健康科学统一服务大学教授Teresa M. Dunn、内布拉斯加大学林肯分校教授Edgar Cahoon、湖南大学教授姚瑞枫参与了课题。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：http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg0728
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