Nature | 周鸣颜宁课题组合作揭示人源二酰甘油酰基转移酶DGAT1 三维结构及催化机制

周鸣/颜宁课题组合作首次揭示人源二酰甘油酰基转移酶DGAT1三维结构及催化机制2020年5月13日，贝勒医学院周鸣教授课题组和普林斯顿大学颜宁教授课题组合作在《Nature》上发表文章，首次解析了分辨率为3.1的人源二酰甘油酰基转移酶DGAT1的同源二聚体结构，并通过结合酶活性实验，确定了酰基辅酶A（acyl-CoA）在DGAT1上的结合位点，揭示了其催化机制。一、研究背景三酰甘油酯（TAG）是生命体中主要的能量储存物质，其合成过程主要有两种路径：3-磷酸甘油路径以及单酰基甘油路径。两种合成路径的最终一步都是二酰甘油酯（DAG）的酰基化从而产生TAG，而这一过程是由二酰甘油酰基转移酶（DGAT）催化完成。人体中有两种序列不同源的DGAT，分别为DGAT1和DGAT2。DGAT1主要负责脂肪吸收及储存过程中TAG的合成，而DGAT2则负责各组织及皮肤基本脂肪的平衡。由于DGAT1在脂肪代谢中的重要作用，它被认为是治疗肥胖及糖尿病的重要药物靶点。二、研究过程与发现结构解析：研究人员利用单颗粒冷冻电镜技术，首次解析了人源DGAT1的同源二聚体结构。结构数据显示，DGAT1的N端位于细胞质内，C端位于内质网内，单个DGAT1分子主要由9个跨膜α螺旋组成。两个DGAT1分子形成同源二聚体，二聚体中心为TM1和N端无规则卷曲与另一个DGAT1分子之间形成紧密的相互作用。剩下的TM2-TM9以及胞内卷曲IL1/IL2在内质网膜中形成一个帐篷形状的结构，其中心有一个很大的疏水空腔，被命名为反应室（reaction chamber）。酶活性实验：为了精确测量DGAT1的活性，研究人员发展了一种酶联反应测试。DGAT1将acyl-CoA上的脂肪链转移到DAG上后，产生的CoA会被α-酮戊二酸脱氢酶（αKDH）所利用并转化为琥珀酰-CoA，同时生成NADH。通过测量产生NADH的荧光来间接测量DAG转化为TAG的速率，结果显示纯化后的DGAT1依旧保持较好活性。底物结合位点：结构显示，acyl-CoA结合于反应室小开口处，一直延伸到反应室内部。CoA部分结合于开口处IL2以及TM8上的极性残基，CoA向内延伸至活性位点附近，acyl-CoA的脂肪链则结合于反应室内高度疏水的口袋中。与acyl-CoA相互作用的多数残基在DGAT1中高度保守，并且突变后对DGAT1活性有显著影响，验证了acyl-CoA结合的位点。催化机制：结构中虽然未确认DAG的结合位点，但研究人员推断DAG很可能从大开口进入反应室中，从而接近于活性中心H415/E416。之后DAG的羟基被H415活化从而进攻acyl-CoA的硫醇基团，从而引起酰基转移反应的发生。最终，生成的产物TAG同样通过反应室的大开口释放到内质网膜中。三、研究意义指导药物开发：本研究报道了首个人源DGAT1同源二聚体结构以及其底物acyl-CoA的结合位点，对于针对DGAT1靶点抑制剂的开发有重要指导作用。推动MBOATs超家族研究：DGAT1的结构也将为MBOATs超家族中其他成员的结构及功能研究提供重要的信息。四、图片展示综上所述，周鸣/颜宁课题组合作的研究工作首次揭示了人源DGAT1的三维结构及催化机制，为针对DGAT1的药物开发提供了重要指导，并推动了MBOATs超家族中其他成员的结构及功能研究。