真核生物磷脂和中性脂类生物合成过程的结构基础

Phospholipid is the main component of cell membrane and precursor for the synthesis of neutral lipids. Triacylglycerols(TAG) is a major type of neutral lipid used for energy storage in vivo. The balance of synthesis and hydrolysis of TAG is important for sustaining regular biological activities in eukaryotic organisms. Disorder of TAG metabolism will lead to obesity and other metabolic syndrome, such as diabetes, hypertension and cardiovascular disease. Previous research works demonstrated that knocking out the genes encoding key enzymes in TAG biosynthesis or inhibiting their activity by small molecular inhibitors is effective in treating or preventing obesity, diabetes and other metabolic diseases in model animals. Therefore, the key enzymes involved in TAG synthesis are considered as potentially important drug targets for treating metabolic diseases. This project aims to solved high-resolution structures of key membrane proteins in biosynthesis of TAG and phospholipid (precursor for TAG synthesis) through structure biology approach. The ultimate goal is to elucidate the molecular mechanism of TAG biosynthesis, and provide structural bases for rational design of small molecular inhibitors and theoretical foundation for the treatment of metabolic diseases.

磷脂分子是细胞膜的主要成分并可作为前体分子参与中性脂的生物合成。三脂酰基甘油是生物体内用于储存能量的一种主要中性脂类分子。三脂酰基甘油合成与代谢的平衡对于真核生物体的正常生命活动至关重要。三脂酰基甘油代谢的紊乱会导致肥胖症及其他代谢综合症，如糖尿病，高血压，心血管疾病等。大量的研究表明基因敲除或通过小分子药物来抑制三脂酰基甘油合成途径中关键膜内酶的活性，可以有效地治疗和预防模式动物的肥胖和糖尿病等代谢疾病。因而，三脂酰基甘油生物合成过程中的关键酶被认为是治疗代谢相关疾病的潜在重要靶点。本项目拟通过结构生物学的方法，解析三脂酰基甘油及其前体磷脂分子生物合成过程中关键膜蛋白的高分辨率三维结构，阐释其生物合成过程的分子机理。研究结果将为理性设计小分子药物提供结构基础，并为治疗代谢相关疾病提供理论依据。

磷脂分子不仅参与组成生物膜，而且可以作为生物活性分子参与细胞信号转导过程。在脂类代谢过程中，磷脂分子还可以作为前体分子参与三脂酰基甘油等中性脂的合成。胞苷二磷酸-二脂酰基甘油（CDP-DAG）是磷脂酰甘油、心磷脂和磷脂酰肌醇等阴离子型磷脂生物合成的一个重要中间分子。在内质网膜上，CDP-DAG的生物合成是由CDP-DAG合成酶（CDS）介导的，而线粒体中CDP-DAG的合成则是由位于线粒体内膜基质表面的外周膜蛋白Tam41来催化完成。Tam41虽然具有和CDS相同的催化活性和共同的底物（CTP和磷脂酸），其氨基酸序列和CDS差异较大且没有同源性。.本项目通过X-射线晶体学的方法解析了裂殖酵母来源的Tam41（SpTam41）主体部分的三维结构，发现该蛋白包含了核苷酰基转移酶结构域和翼螺旋结构域两个核心组成部分，并且在其C-末端含有一段与膜表面相互作用的双亲性螺旋。在核苷酰基转移酶结构域和翼螺旋结构域之间的界面上，存在一个L型的底物结合口袋，为CTP提供结合位点。通过结构分析、定点突变和酶活测试相结合的方法，我们确定了参与结合CTP的关键氨基酸残基，其中大部分残基的突变会导致酶活显著降低。研究还发现SpTam41的C-末端区域对于该蛋白的催化功能是必需的，其作用是介导该蛋白与膜表面相互作用，并可促进SpTam41与膜上带负电的磷脂酸分子（底物）结合。研究结果为深入理解线粒体中磷脂生物合成途径的关键环节提供了基础的生物化学与结构生物学知识，揭示了一种独特的在线粒体内膜表面-基质界面进行的双亲性分子合成的分子机理，拓展了人们对于真核生物中CDP-DAG合成过程多样性的认识。SpTam41结构功能研究结果于2019年8月在Structure期刊上发表，得到了磷脂生物合成和蛋白质研究领域国际同行的关注和引用。项目实施过程中获得的两套SpTam41结构数据已存到蛋白质数据库中供国内外同行下载使用。.此外，我们还通过单颗粒冷冻电镜方法围绕中性脂合成相关的膜蛋白开展了结构生物学研究，取得了初步结果，为进一步揭示其催化作用和活性调控机理奠定了基础。