Nat Chem Biol | 錢洪武團(tuán)隊(duì)揭示LPP1催化底物L(fēng)PA去磷酸化的機(jī)制

溶血磷脂酸（lysophosphatidic acid,LPA）和鞘氨醇-1-磷酸（sphingosine-1-phosphate,S1P）是兩種重要的脂質(zhì)信號(hào)分子，通過激活特異性的GPCR信號(hào)通路調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、遷移、分化與存活等過程。LPA和S1P信號(hào)通路在血管生成、免疫炎癥調(diào)控和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中發(fā)揮核心作用，其異常激活與多種腫瘤和炎癥性疾病密切相關(guān)。因此，LPA和S1P信號(hào)的強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間需要精準(zhǔn)調(diào)控。定位于細(xì)胞膜的脂質(zhì)磷酸酶（lipid phosphate phosphatases,LPPs）通過催化LPA和S1P的去磷酸化反應(yīng)來終止這兩個(gè)信號(hào)通路。人類基因組中編碼三種LPP蛋白（LPP1–3），它們?cè)谀[瘤、心血管疾病等疾病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要功能。然而，盡管 LPP的生理和病理重要性已被廣泛認(rèn)可，其催化機(jī)制尚未解析。

2026年1月9日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)錢洪武團(tuán)隊(duì)在Nature Chemical Biology上發(fā)表了題為“Structural basis for the catalytic mechanism of human lipid phosphate phosphatases”的研究論文。該研究解析了人源脂質(zhì)磷酸酶1（LPP1）在關(guān)鍵催化中間態(tài)下的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并結(jié)合體外功能實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)闡明了LPP1催化底物LPA去磷酸化的機(jī)制。此外，研究團(tuán)隊(duì)意外發(fā)現(xiàn)LPP1結(jié)構(gòu)中存在PIP2的密度，暗示PIP2分子在LPP1活性調(diào)控中可能發(fā)揮重要作用。

研究團(tuán)隊(duì)首先從HEK293F細(xì)胞中表達(dá)并純化了高質(zhì)量的人源LPP1蛋白，隨后通過酶活實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了純化蛋白對(duì)LPA、PA和S1P等底物的體外催化活性。接下來，研究團(tuán)隊(duì)解析了LPP1的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)LPP1以四聚體形式存在，每個(gè)單體的保守結(jié)構(gòu)元件——C1、C2、C3基序——形成了位于胞外的催化活性中心。值得注意的是，LPP1的四聚體界面不僅由相鄰亞基跨膜螺旋之間的直接相互作用維持，還由嵌入膜內(nèi)的磷脂酸（PA）分子進(jìn)一步穩(wěn)定。該結(jié)構(gòu)的催化活性中心中未檢測到額外的電鏡密度，表明該結(jié)構(gòu)處于基態(tài)（LPP1-R）。

為捕捉催化中間態(tài)，研究團(tuán)隊(duì)分別對(duì)C2和C3基序的關(guān)鍵組氨酸殘基進(jìn)行突變，并解析了這兩個(gè)突變體（LPP1-C2M與LPP1-C3M）與底物L(fēng)PA的復(fù)合體結(jié)構(gòu)。在LPP1-C2M結(jié)構(gòu)中，催化腔內(nèi)清晰觀察到完整的LPA分子，代表底物結(jié)合狀態(tài)；而在LPP1-C3M結(jié)構(gòu)中，LPA分子被水解成了磷酸和單酰甘油（MAG），捕捉到LPP1與產(chǎn)物結(jié)合的中間態(tài)。最后，研究團(tuán)隊(duì)解析了LPP1與磷酸經(jīng)典類似物釩酸的復(fù)合體結(jié)構(gòu)（LPP1-V），成功展示了催化過程中磷酸與C3基序保守組氨酸形成磷酸-組氨酸中間體的構(gòu)象。

綜合LPP1-R、LPP1-C2M、LPP1-C3M、LPP1-V等結(jié)構(gòu)信息，研究團(tuán)隊(duì)提出了LPP1催化LPA等底物分子去磷酸化的兩步反應(yīng)模型：在第一步中，脂質(zhì)磷酸酯（第一底物）進(jìn)入催化腔，其磷酸基團(tuán)通過極性相互作用被穩(wěn)定協(xié)調(diào)。隨后，C2基序中的組氨酸His171催化磷酸酯鍵斷裂，被切割的磷酸基團(tuán)向催化腔深處移動(dòng)，并與C3基序中的組氨酸His223形成磷酸化組氨酸中間體，同時(shí)釋放第一產(chǎn)物MAG。在第二步中，水分子作為第二底物進(jìn)入催化腔，對(duì)磷酸化組氨酸中間體進(jìn)行水解反應(yīng)，最終釋放第二反應(yīng)產(chǎn)物無機(jī)磷酸（PO?）。

圖1不同中間態(tài)LPP1結(jié)構(gòu)及LPP1介導(dǎo)LPA去磷酸化的催化機(jī)制

此外，研究團(tuán)隊(duì)還在LPP1的胞內(nèi)側(cè)發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定結(jié)合的磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）分子。功能實(shí)驗(yàn)顯示，削弱PIP2結(jié)合會(huì)降低LPP1的催化活性，尤其對(duì)S1P水解活性影響最大。考慮到PIP2分子是S1P信號(hào)通路的關(guān)鍵下游信號(hào)分子，這一發(fā)現(xiàn)提示PIP2可能通過調(diào)控LPP1活性，從而參與細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)信號(hào)的精細(xì)平衡。

綜上，該研究首次系統(tǒng)解析了人源LPP1在多個(gè)催化中間態(tài)下的高分辨率結(jié)構(gòu)，揭示了其四聚體裝配模式、兩步催化反應(yīng)路徑及潛在的脂質(zhì)調(diào)控機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)脂質(zhì)磷酸酶家族催化機(jī)理的理解，也為靶向LPP1/LPP3或LPP2的藥物研發(fā)提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，對(duì)腫瘤、炎癥及心血管疾病等研究領(lǐng)域具有重要啟示意義。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部錢洪武教授為本研究的通訊作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部博士研究生楊濛和安徽醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院孫春萍副教授為該論文的共同第一作者。

https://www.nature.com/articles/s41589-025-02121-w

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