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神经节苷脂GM1是哺乳动物细胞膜上的一种鞘糖脂（Glycosphingolipids,GSLs）,它具有重要的生理功能与药用活性,已被广泛用于治疗帕金森症、阿尔兹海默症等神经退行性疾病及中枢神经损伤。GM1在结构上由寡糖链、鞘氨醇碱基及脂肪酸三个模块组成,其中脂肪酸模块对膜流动性和它在质膜上的分布及生物学活性均有显著影响,对GM1的脂肪酸模块进行修饰,是获得具有新颖药效的GM1衍生物的可行途径。鞘脂N去酰基化酶（Sphingolipid ceramideN-deacylase,SCDase）具有双重催化功能,既可以催化GSLs水解生成lyso-GSLs并释放脂肪酸,又可以催化逆反应合成GSLs。为合成新型GM1衍生物,我们利用SCDase正、逆向催化的特点,在本论文中发展了高效的GM1脂肪酸模块酶法替换体系,制备了一系列含不饱和脂肪酸的GM1衍生物,并对它们的促神经突起生长活性进行研究,进一步通过转录组测序初步探索了其活性增强的可能机制。1)SCDase高效水解GM1制备lyso-GM1。首先通过培养基选择、表达条件优化等手段,优化了来源于Shewanella alga G8中的SCDase（SASCD）在大肠杆菌中的异源表达,使其产率从4-5 mg/L提高到了40 mg/L以上,为进行大规模酶促反应奠定了基础。进一步,为解决水解活性和合成活性相互竞争造成的反应转化率低的问题,我们对影响酶促水解反应的各种条件进行了研究,发现Ca2+及表面活性剂牛磺脱氧胆酸钠（taurodeoxycholate hydrate,TDC）共同作用,会促使水解反应生成的脂肪酸形成硬脂酸盐沉淀,从而将酶促进反应平衡向水解方向推进。优化后的水解反应体系(pH 5.8,100 mM Ca2+,0.28%或以上的TDC)使GM1的水解率由51%提高至96%,并且对GM3,GlcCer、GalCer等其它GSLs以及鞘磷脂的水解均有显著促进作用。利用优化后的水解反应体系对lyso-GM1进行制备,产率达到90%（反应体系20 ml,100 mg GM1,反应时间12 h）,显著优于先前文献报道最高产率（反应体系24 ml,10 mg GM1,反应时间2周,产率72%）。2)酶法合成GM1衍生物库。基于影响SCDase酶促反应平衡的各种因素分析,我们发现将pH值调到7.5并且不添加表面活性剂和金属离子,可有效抑制SCDase的水解活性,使反应平衡向合成反应方向进行。应用建立的合成反应催化体系（pH 7.5,0.75 mM lyso-GM1,1.5 mM脂肪酸,10%乙二醇二甲醚）,我们有效地实现了含棕榈油酸、油酸、二十二碳六烯酸等10种不同链长及不饱和度的脂肪酸模块的GM1衍生物的定向合成,纯化后产率16-67%,并对产物进行了结构鉴定,为开展生物活性研究奠定了基础。3)GM1衍生物的促神经突起生长活性及分子机理。应用经典的促神经突起生长Neuro2a细胞模型,我们对上述获得的GM1衍生物的生物活性进行了检测,结果发现C16:1-GM1和C18:1-GM1等衍生物具有比GM1显著增强的促神经突起生长活性。进一步,通过分别制备含C18-和C20-鞘氨醇碱基的GM1、C16:1-GM1及C18:1-GM1,发现GM1及其衍生物的生物学活性受脂肪酸模块与鞘氨醇碱基的共同影响,其中衍生物C16:1-GM1（d18）具有最高的促神经突起生长活性,同时也具有最高的细胞毒性,而C18:1-GM1（d20）具有较高的促突起生长活性及较低的细胞毒性,体现了其在神经再生中潜在的药用价值。我们选定了具有最强促神经突起生长活性的C16:1-GM1（d18）,通过转录组测序分析了其活性提高的可能机制。实验结果显示C16:1-GM1（d18）与GM1（d18）相比能够更有效地上调在神经突起生长中起正调控作用的基因Egr1、Klf7、Epha7及Dock10,并下调在神经突起生长中起抑制作用的基因Id2、Id3和Hes5。这些信息为进一步研究和优化GSLs药物的功能提供了思路。