磷脂酰甘油和心磷脂生物合成的结构基础

磷脂是细胞中最为普遍存在的一种膜脂，其作用不仅是为功能膜蛋白提供一个与之相匹配的双亲性脂双分子层结构，而且还通过与膜蛋白形成特异的相互作用而影响其结构与功能。磷脂酰甘油和心磷脂（双磷脂酰甘油）是在动植物和细菌细胞中都存在的一类重要阴离子型磷脂分子，它们对于光合作用和呼吸作用的正常运转是必不可少的。在哺乳动物细胞中，心磷脂水平的降低将导致细胞色素c向胞浆释放而启动细胞凋亡过程，并且其脂肪酸链组成的异常与一些重要的人类疾病相关。磷脂酰甘油是心磷脂合成的前体，参与磷脂酰甘油和心磷脂生物合成的关键酶,如胞苷二磷酸-二脂酰基甘油合成酶（CdsA）,磷脂酰甘油磷酸合成酶（PgsA）和心磷脂合成酶（Cls）等，都属于整合膜蛋白，含有多个跨膜螺旋。本项目拟通过X-射线晶体学的方法研究这些膜内酶的三维结构，探讨其在膜内催化磷脂合成的分子机理，揭示这一重要生物分子生成的结构基础。

甘油磷脂是原核和真核细胞膜上普遍存在的脂类分子，本项目以磷脂酰甘油和心磷脂生物合成途径中的关键膜内酶为研究对象，开展结构生物学研究，拟揭示磷脂生物合成的结构基础。磷脂酰甘油以及心磷脂属于阴离子型的磷脂，其生物合成过程需要一个重要的前体分子，即胞苷二磷酸-二脂酰基甘油（CDP-DAG)。CDP-DAG的合成由位于膜内的CDP-DAG合成酶CDS催化，其合成的分子机制还有待于深入的CDS结构与功能研究来揭示。在项目的执行期内，我们通过优化获得了Thermotoga maritima来源的CDS（TmCdsA）蛋白的高质量三维结晶，并解析了CDS家族的第一具有代表性的蛋白结构。基于TmCdsA的晶体结构，我们分析了该新型膜蛋白的结构域组成、活性中心以及底物结合位点，并从结构出发推导了CDP-DAG在三维空间合成的分子机理。该系列的研究结果总结发表于2014年的Nat. Commun.期刊上，并应邀于2015年冷泉港亚洲会议膜蛋白结构与功能分会上做了报告。CDP-DAG是所有生物体磷脂合成的一个核心中间产物，并且CDS的三维结构多年来一直未知，TmCdsA结构的解析被认为是磷脂生物合成领域的一个显著进展。