Nat. Chem. Biol | 中国科大生医部钱洪武课题组揭示人源脂质磷酸酶LPP1的结构及催化机制

　　

脂质信号分子在细胞生理和疾病发生中发挥着至关重要的调控作用。其中，溶血磷脂酸（lysophosphatidic acid, LPA）和鞘氨醇-1-磷酸（sphingosine-1-phosphate, S1P）是两类重要的生物信号分子，通过结合特异性G蛋白偶联受体，调控细胞增殖、迁移、分化和存活等生理过程。LPA和S1P相关信号通路在胚胎血管生成、免疫炎症反应和神经系统发育等过程中发挥核心作用，因此其信号强度和持续时间必须受到严格调控。定位于细胞膜的脂质磷酸酶（lipid phosphate phosphatases, LPPs）通过催化LPA和S1P去磷酸化，从而调节LPA和S1P信号的强度和持续时间。人体内存在三个LPP家族蛋白——LPP1、LPP2和LPP3，它们与肿瘤、心血管疾病以及炎症性疾病的发生发展密切相关。研究发现，LPP1和LPP3在多种实体肿瘤中显著下调，导致LPA和S1P信号持续激活，从而促进肿瘤细胞的增殖、侵袭与转移。而LPP2在乳腺癌、肺癌等肿瘤组织中呈现高表达，其上调被认为有利于肿瘤细胞维持高增殖能力和代谢适应性。尽管LPP蛋白的生理功能和疾病相关性已受到广泛关注，然而其工作机制尚未完全阐明。

2026年1月9日，中国科学技术大学钱洪武团队在Nature Chemical Biology上发表了题为“Structural basis for the catalytic mechanism of human lipid phosphate phosphatases”的研究论文。该研究解析了人源脂质磷酸酶1（LPP1）在关键催化中间态下的高分辨率冷冻电镜结构，并结合体外功能实验，详细阐明了LPP1催化底物LPA去磷酸化的机制。此外，研究团队意外发现LPP1结构中存在PIP₂的密度，暗示PIP₂分子在LPP1活性调控中可能发挥重要作用。

研究团队首先从HEK293F细胞中表达并纯化了高质量的人源LPP1蛋白，随后通过酶活实验验证了纯化蛋白对LPA、PA和S1P等底物的体外催化活性。接下来，研究团队解析了LPP1的高分辨率冷冻电镜结构，发现LPP1以四聚体形式存在，每个单体的保守结构元件——C1、C2、C3基序——形成了位于胞外的催化活性中心。该结构的催化活性中心中未检测到额外的电镜密度，表明该结构处于基态（LPP1-R）（图1A）。

为捕捉催化中间态，研究团队分别对C2和C3基序的关键组氨酸残基进行突变，并解析了这两个突变体（LPP1-C2M与LPP1-C3M）与底物LPA的复合体结构。LPP1-C2M结构呈现了LPP1与底物LPA结合构象；而在LPP1-C3M结构中，LPA分子被水解成了磷酸和单酰甘油，显示了LPP1与产物结合的中间态。最后，研究团队解析了LPP1与磷酸经典类似物钒酸的复合体结构（LPP1-V），成功展示了催化过程中磷酸与C3基序保守组氨酸形成磷酸-组氨酸中间体的构象（图1A）。综合LPP1-R、LPP1-C2M、LPP1-C3M、LPP1-V等结构信息，研究团队提出了LPP1催化LPA等底物分子去磷酸化的催化模型（图1B）。

图1 不同中间态LPP1结构及LPP1介导LPA去磷酸化的催化机制

此外，研究团队在LPP1的胞内侧发现了稳定结合的磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP₂）分子（图2）。功能实验显示，削弱PIP₂结合能力会降低LPP1的催化活性，尤其对S1P水解活性影响最大。考虑到PIP₂分子是S1P信号通路下游的关键分子，PIP₂对LPP1催化活性的调节作用可能在细胞调制S1P信号的过程中发挥着重要作用。

图2. LPP1结构中PIP₂电子密度

中国科学技术大学生命科学与医学部博士研究生杨濛和安徽医科大学第三附属医院孙春萍副教授为该论文的共同第一作者。中国科学技术大学生命科学与医学部钱洪武教授为论文的通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费、中国科学技术大学安徽省生物医学与健康实验室“人才基金项目”、中国科学技术大学启动经费、安徽省卫生健康科研项目、安徽医科大学附属医院青年科技人才培养计划等项目的支持。