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Sci Adv丨冷冻电镜结构揭示乙酰辅酶A羧化酶变构调控机制

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-10-13 10:59

正文

人源ACC（包括ACC1和ACC2两种亚型）催化乙酰辅酶A（acetyl-CoA）羧化生成丙二酰辅酶A（malonyl-CoA）的反应，该反应是脂肪酸合成的限速步骤。2018年，Timm Maier实验室解析了去磷酸化的重组人ACC1经柠檬酸（citrate）处理后处于激活状态（active state）的结构（即ACC-citrate filament），以及未经去磷酸化处理的重组人ACC1在BRCT（BRCA1羧基末端结构域）作用下处于抑制状态（inhibited state）的结构（即ACC-BRCT filament）【1】。然而，人们对人源ACC在未激活状态（inactive state）下的存在形式知之甚少。此外，ACC是否存在其它构象、这些构象之间如何转化等问题仍然有待进一步研究。

近日，西湖大学胡奇、施一公、周强合作团队在人源ACC的调控机制研究方面取得突破，相关成果以Filament structures unveil the dynamic organization of human acetyl-CoA carboxylase为题，于2024年10月9日发表在Science Advances杂志上。该研究解析了内源性ACC1在不同条件下的冷冻电镜结构，鉴定出ACC在未激活状态下形成的全新构象的filament（命名为ACC-inact filament），并获得了ACC-citrate filament的高分辨结构。该研究与此前的报道互为佐证，展现了人源ACC构象多变的特征，揭示了不同因子在其动态变化过程中的调控作用。

基于生物素依赖羧化酶（biotin-dependent carboxylase，BDC）家族被生物素共价修饰的特性，研究者使用Strep-Tactin^®XT resin对Expi 293F细胞中的内源性BDC蛋白进行直接富集，获得了全部4种人源BDC蛋白（包括ACC以及丙酮酸羧化酶PYC、丙酰辅酶A羧化酶PCC、3-甲基巴豆酰辅酶A羧化酶MCC）。经不同条件处理后，内源性BDC样品被用于冷冻电镜数据收集和结构解析，最终获得这些羧化酶在不同状态下的全酶结构。其中，PCC和MCC全酶的结构已于2024年7月2日以Structural insights into human propionyl-CoA carboxylase (PCC) and 3-methylcrotonyl-CoA carboxylase (MCC)为题在eLife发表，这也是人源PCC和MCC全酶结构的首次报道【2】。

内源性ACC1在激活状态（ACC-citrate filament，在去磷酸化并经citrate处理的条件下获得）与未激活状态（ACC-inact filament，在未经去磷酸化处理并与底物孵育的条件下获得）下形成的filament均以ACC1二聚体为重复单元，向两侧螺旋式延伸（图1）。其中，ACC-citrate filament的结构较为紧致，而ACC-inact filament的结构比较松散。

图1 ACC1在激活状态和未激活状态下形成的filament的结构

人源ACC由BC、BT、BCCP、CD和CT结构域组成。其中，BCCP结构域与生物素共价结合，BC和CT结构域分别催化生物素羧化和羧基转移反应，BT结构域介导BC与CT之间的相互作用。CD结构域的构象变化是ACC活性调控的关键：相较于ACC-citrate filament（激活状态），ACC-inact filament（未激活状态）中CD结构域围绕其与CT结构域之间的柔性loop，带动BC、BT和BCCP结构域运动，使ACC1二聚体发生大幅度构象变化（图2），从而使BCCP结构域连接生物素的位点远离BC和CT结构域的催化中心，无法完成羧化反应（图3）。

图2 ACC1二聚体从未激活状态到激活状态的构象变化

图3 ACC-inact filament中BCCP所处的位置

研究者发现，未结合acetyl-CoA时，BCCP结构域共价连接的生物素在人源ACC-citrate filament的CT结构域中的结合位点远离CT结构域的催化中心，该位点被命名为“外结合位点（exo-site）”，生物素在该位点无法参与羧基转移反应（图4）。而酵母ACC结构显示：CT结构域结合acetyl-CoA时，生物素结合于靠近反应中心的位点，该位点被命名为“内结合位点（endo-site）”（DOI: 10.1038/nature15375）。据此，研究者认为acetyl-CoA在CT结构域的结合可能会促进生物素由“exo-site”进入“endo-site”，从而使羧基得以从生物素转移到acetyl-CoA。