Nature | 廖茂富/隋学武等揭示人体中甘油三酯合成分子机制

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甘油三酯（Triacylglycerol，TG）是人体脂肪组织和血脂的主要成分（约占95%）。甘油三酯合成增加引起的高甘油三酯血症是导致肥胖、冠心病、高血压、糖尿病等代谢性综合征相关疾病发生的重要危险因素。人体血液中的甘油三酯含量也是衡量代谢以及心脑血管健康状况的重要指标。如何有效地降低异常增高的甘油三酯水平是预防和治疗代谢综合征相关疾病的热点和难点。同时，在农业、工业生产中，甘油三酯也是重要的食品以及生物能源物质。目前已知，人体内的甘油三酯是由酰基辅酶A二酰基甘油酰基转移酶（acyl-CoA diacylglycerol acyltransferase，DGAT）催化合成。然而，对于DGAT的蛋白结构及其催化合成甘油三酯的机理却仍然未知。

2020年5月13日，美国哈佛大学公共卫生学院Robert Farese, Jr. （费波）教授& Tobias Walther（华涛北）教授联合课题组以及哈佛大学医学院廖茂富教授课题组合作在Nature杂志以Original Article形式在线发表了题为“Structure and catalytic mechanism of a human triacylglycerol-synthesis enzyme” 的最新研究成果，第一作者为博士后研究员隋学武。研究人员通过冷冻电镜技术（Cryo-EM），首次解析了分子量为55 kDa的人类甘油三酯合成与代谢的关键酶——DGAT1的蛋白结构，并系统地阐明了DGAT1识别底物及催化甘油三酯合成的分子机制。该研究成果首次揭示了DGAT1如何参与人类甘油三酯合成与代谢，也为降低甘油三酯合成及治疗代谢性综合征相关疾病的药物研发研究奠定了基础。

DGAT1 蛋白属于一类名为嵌膜O-酰基转移酶（membrane bound O-acyl transferase/MBOAT）的蛋白家族，该家族成员广泛分布于原核以及真核细胞中。顾名思义，MBOATs催化酰基从酰基辅酶A（acyl-CoA）转移至不同的酰基受体（acyl-acceptor）。在人体中目前发现了超过10个MBOAT成员【1】，而哺乳动物体内的DGAT1在1998年被首次克隆【2】。该蛋白分布于内质网，催化脂肪酸与二酰甘油通过酯键形成甘油三酯，是细胞内甘油三酯合成与代谢途径中的关键酶【3】。

为了研究甘油三酯合成的分子机制，研究人员首先纯化了人源DGAT1蛋白，并通过利用冷冻电镜技术，最终得到了分辨率为3.0 Å的DGAT1 蛋白结构。研究结果表明，DGAT1 除了在蛋白N-氨基酸末端约80个氨基酸位于细胞质外，其绝大部分位于内质网磷脂双分子膜内，共包含9个穿膜区（TM region）。另外，DGAT1单体的水溶性N端以及第一个疏水跨膜区（TM1）与另一个DGAT1单体相互作用，并形成二聚体。相关生化功能研究揭示，DGAT1 的二聚化区域对其稳定性以及活性的有着关键的作用。

结果同时表明，DGAT1的催化活性位点深嵌于蛋白疏水中心并位于磷脂双分子层中。另外，该项研究同时获取了分辨率达到了3.2 Å的DGAT1与脂酰辅酶A底物的复合结构。在此蛋白-底物复合物结构中，脂酰辅酶A 所携带的疏水脂肪酸长链通过DGAT1 面向细胞质的疏水通道插入位于细胞膜内的DGAT1活性位点。该结果首次揭示了脂酰辅酶A与DGAT1相互识别与作用机理。

通过对DGAT1蛋白结构以及其与脂酰辅酶A相互作用的研究，该文章从生物化学及结构生物学角度阐述了人体内甘油三酯在内质网合成的分子机制。同时，作为人体内脂肪代谢的关键酶，通过药物来抑制DGAT1活性也广泛应用于脂类代谢等疾病的治疗中【4】。文章也为研究DGAT1与其相关药物分子的抑制机制奠定了基础。

值得一提的是，Nature同步在线了贝勒医学院周鸣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Structure and mechanism of human diacylglycerol-O-acyltransferase 1 。该工作利用单颗粒冷冻电镜技术，首次解析了分辨率为3.1Å人源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。

2. Cases, S. et al. Identification of a gene encoding an acyl CoA:diacylglycerol acyltransferase, a key enzyme in triacylglycerol synthesis. Proc. Natl Acad. Sci. USA 95, 13018–13023 (1998).

3. Yen, C. L., Stone, S. J., Koliwad, S., Harris, C. & Farese, R. V. Jr. Thematic review series: glycerolipids. DGAT enzymes and triacylglycerol biosynthesis. J. Lipid Res. 49, 2283–2301 (2008).

4. Cao, J. et al. Targeting Acyl-CoA:diacylglycerol acyltransferase 1 (DGAT1) with small molecule inhibitors for the treatment of metabolic diseases. J. Biol. Chem. 286, 41838–41851 (2011).