Учёные раскрыли каталитический механизм синтеза растительных масел
Диацилглицерол-O-ацилтрансфераза 1 (DGAT1) — это лимитирующий фермент в биосинтезе триацилглицеролов (TAG) и ключевая мишень для создания растений с повышенным выходом масла и улучшенным его качеством. Однако структура растительной DGAT1 и молекулярные механизмы её катализа и регуляции активности оставались неясными.
Группа исследователей под руководством профессора Лю Чжэньфэна из Института биофизики Китайской академии наук с помощью криоэлектронной микроскопии одиночных частиц определила высокоразрешающие трёхмерные структуры дикого типа Arabidopsis thaliana DGAT1 (AtDGAT1) и низкоактивного мутанта (H447A).
Впервые учёные выявили в структуре DGAT1 сайты связывания для двух субстратов (DAG и олеоил-CoA), двух продуктов (TAG и CoASH) и нескольких молекул свободных жирных кислот (FFA). Результаты опубликованы в журнале The Plant Cell 13 октября.
Мутационный анализ показал, что замена остатка Cys246, взаимодействующего с карбоксильной группой FFA, на аланин, серин или треонин (C246A/S/T) значительно повышает активность AtDGAT1.
Крио-ЭМ структура мутанта AtDGAT1-H447A показала псевдо-C2 симметрию: один мономер связывал субстраты DAG и олеоил-CoA, а другой — продукты TAG и CoASH.
Наложение структур ферментов дикого типа и мутанта показало, что молекула FFA (олеиновая кислота, OLA) помогает стабилизировать ацильную цепь и сложноэфирную связь олеоил-CoA в ориентации, благоприятной для катализа.
На основе биохимических и структурных данных исследователи предложили каталитический цикл переноса ацильной группы, опосредованный растительной DGAT1.
Согласно модели, ацил-CoA обогащается N-концевым доменом и попадает в активный центр со стороны цитозоля, в то время как DAG проникает туда через латеральное отверстие в мембране.
С помощью FFA оба субстрата стабилизируются в каталитическом центре. His447, вероятно, депротонирует гидроксильную группу DAG через молекулу воды, что позволяет ей совершить нуклеофильную атаку на сложноэфирную связь ацил-CoA с образованием TAG и CoASH.
После конформационного изменения N-концевого домена соседнего мономера CoASH может высвобождаться в цитозоль, а TAG выходит латерально в мембрану. В итоге DGAT1 возвращается в исходное состояние, свободное от субстратов.
Интеграция биохимического и крио-ЭМ структурного анализа позволила пролить свет на каталитический механизм и FFA-опосредованную регуляцию активности растительной DGAT1. Это даёт ключевые структурные данные для направленного генетического улучшения масличных культур с целью повышения урожайности масла и улучшения состава жирных кислот.