中国科学技术大学钱洪武团队最新Nature子刊

脂质磷酸磷酸酶（LPPs）可催化多种生物活性脂质磷酸的去磷酸化反应，其底物包括溶血磷脂酸（LPA）、1-磷酸鞘氨醇（S1P）、磷脂酸（PA）以及1-磷酸神经酰胺（C1P），正如David Brindley及其同事所综述。LPPs也被归类为II型磷脂酸磷酸酶（PAPs）成员，以区别于I型PAP酶。与依赖Mg²⁺且可溶的I型PAP酶不同，PAP2蛋白不依赖Mg²⁺，且其中许多酶是整合型跨膜（TM）蛋白。

哺乳动物的LPP基因于20世纪90年代末完成克隆。在人类中，已鉴定出三个LPP基因，分别编码LPP1、LPP2和LPP3三种酶，它们长度约为300个氨基酸，序列一致性约为40%。

尽管这三种LPP酶在体外表现出相似的催化活性和底物偏好性，但小鼠中相应基因的靶向失活研究表明，它们在体内可能具有独特且非冗余的功能。虽然LPP2对小鼠胚胎发育并非必需，但LPP3对胚胎发育至关重要，其缺失会导致胚胎致死。

LPPs主要定位于质膜，其催化位点位于胞外，从而具备降解胞外生物活性脂质磷酸（如LPA和S1P）的胞外活性。鉴于LPA和S1P信号通路的关键作用，LPPs能够通过去磷酸化LPA和S1P来终止其信号通路，从而调控多个重要的生物学过程。

这些过程对胚胎血管生成、细胞分化以及炎症反应至关重要。由于其关键作用，LPPs也与癌症、神经退行性疾病、心血管疾病以及代谢性疾病相关。在肿瘤中，LPP1和LPP3的水平降低，而LPP2的水平在人乳腺癌中升高。因此，一种潜在的治疗乳腺癌的方法可能涉及恢复LPP1/LPP3水平或抑制LPP2活性。

模式机理图（图片源自Nature Chemical Biology ）

序列分析显示，LPPs与人类葡萄糖-6-磷酸酶、氯过氧化物酶以及细菌PGP磷酸酶共享一个特征序列KX₆RPX12-55SGHX31-54SRX5HX4 。该特征序列可分为三个基序：KX₆RP（C1）、SGH（C2）和SRX₅HX₄（C3），它们均位于LPP的胞外环区。

基于对相关酶的结构研究，已有研究提出了LPPs的催化机制，如Sigal等人所综述，认为C2组氨酸（C2基序上的保守组氨酸）促进磷酸键的断裂，而C3组氨酸（C3基序上的保守组氨酸）作为亲核试剂，与断裂的磷酸基团形成磷酸组氨酸中间体。尽管如此，由于缺乏结构信息，其催化机制尚未完全阐明。细菌同源蛋白PgpB的结构已于2014年解析。然而，PgpB是单体，这与推测LPPs发挥功能所需的寡聚状态不同。因此，对哺乳动物LPP酶进行结构研究十分必要。

在本研究中，作者解析了人源LPP1在接近3Å分辨率下的冷冻电镜结构。人源LPP1形成一个具有C4对称性的四聚体，每个四聚体界面由两个PA分子稳定。在每个原体中，胞外催化腔含有多个带正电荷的残基，它们与底物中带负电荷的磷酸基团配位，这在LPP1-钒酸盐（LPP1-V）复合物结构中得以证实。

为了捕获中间状态，作者分别将C2和C3组氨酸残基替换为丙氨酸。在加入LPA作为底物后，作者在C2组氨酸突变体（LPP1-C2M）中捕获了LPA结合状态，在C3组氨酸突变体（LPP1-C3M）中捕获了（PO₄·MAG）结合状态。这些结构观察结果支持了先前的假说，即C2组氨酸促进磷酸键断裂，而C3组氨酸与断裂的磷酸基团形成磷酸组氨酸中间体。酶学实验验证了作者的结构观察。

此外，作者在LPP1结构中发现了一个PIP2分子，这提示PIP2可能对LPP1的催化活性具有潜在的调控作用。

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