解析人源脂質合成關鍵蛋白SEIPIN寡聚體結構

　　肥胖已經是這個社會越來越多人關注的話題。造成肥胖的原因有很多，比如基因缺陷、內分泌失常、缺乏運動、飲食不規律等等。肥胖也會增加很多疾病的患病概率，比如心血管疾病、二型糖尿病、某些癌癥等。最主要的是，肥胖可能給很多人的生活帶來不便，影響生活質量。

　　總的來說，肥胖的主要原因還是體內脂肪的積累。生命的運動需要能量。生命在進化的過程中，早已經進化出一套完整的機制來應對不時之需。生物有機體需要儲存能量以在不斷變化的環境中生存下來。對于細胞來說，大多數能量以脂滴（lipid droplets, LDs）中的中性脂質形式存儲，并且形成了一個進化上非常保守的機制，存在于幾乎所有的物種中【1】。

　　更進一步，在哺乳動物中，LDs的生物發生和脂肪細胞的發育是哺乳動物脂肪儲存的兩個關鍵方面。哺乳動物特化出一種專門的組織，即脂肪組織——主要由脂肪細胞組成，用于儲存能量，以便在需要時給機體提供能量【2】。通過稱為脂肪形成的過程，間充質干細胞分化成脂肪細胞，再通過一系列生物學過程，形成脂肪組織為機體儲能功能。然而，代謝的障礙或者脂肪過度的積累等，已經使得主要由脂肪積累的肥胖成為了一種疾病。鑒于目前肥胖及其相關代謝紊亂的大流行，了解控制LD形成（細胞脂質儲存）和脂肪生成（全身脂質儲存）的分子機制變得越來越重要。

　　SEIPIN是內質網（ER）的進化保守的蛋白，在LD的形成、組裝、擴增以及脂肪生成中起關鍵作用【3】。SEIPIN及其直向同源物可定位于ER-LD接觸位點并調節LD形成。缺乏SEIPIN / Fld1p的酵母，細胞的LD會變得小而成簇，并且很少有超大的LD【4，5】。哺乳動物細胞中的SEIPIN缺乏引起LD形態的相似變化，以及ER-LD的異常【6】。更重要的是，SEIPIN在人類中的功能喪失突變與最嚴重的先天性全身性脂肪代謝障礙--Berardinelli-Seip II型先天性脂肪代謝障礙（BSCL2）--有關【7】。因此，SEIPIN具有調節細胞和全身脂質儲存的獨特能力，在脂質合成和脂肪代謝中非常重要。

　　2018年10月4日，來自澳大利亞新南威爾士大學的楊洪遠課題組和顏寧課題組合作解析了人源脂質合成關鍵蛋白SEIPIN的冷凍電鏡結構，為理解SEIPIN分子功能的重要一步，也為LD生長和脂肪生成提供了重要的參考。

　　SEIPIN是附屬于ER的膜蛋白，N端和C端都在胞質中，存在兩個跨膜結構域和一個大的高度保守的腔環。許多研究發現SEIPIN在甘油磷脂代謝中的作用。特別的是，在SEIPIN缺陷細胞中，磷脂酸（PA）的水平和定位會發生變化【8，9】，原因可能是由于ER定位的甘油-3-磷酸酰基轉移酶（GPAT）的活性增強引起的【10】。然而，有些相關研究卻未發現SEIPIN在磷脂代謝中的作用；相反，結果表明SEIPIN有助于維持ER-LD接觸，從而控制從ER到LD的蛋白質和脂質遞送5,6。總的來說，SEIPIN調節著LD生長和脂肪組織發育。然而，SEIPIN的分子功能及其在LD形成和脂肪形成中的確切作用是神秘且有爭議的。

　　楊洪遠課題組和顏寧課題組合作通過冷凍電鏡（cryo-EM）手段，解析了整體3.8 ?，管腔區域分辨率為3.7 ?的人源SEIPIN結構。SEIPIN形成一個十一聚的環形復合物，直徑160 ?（圖1a,b）。其進化保守的內腔結構域形成八鏈b夾心褶皺（圖1c），在其他脂質結合蛋白中也較常見。SEIPIN的這種寡聚化狀態對其生理功能至關重要。重要的是，全長和其內腔結構域可以與陰離子磷脂強烈結合，包括PA。生化結果表明，SEIPIN結構有助于維持ER的磷脂穩態和表面張力，起到支架支撐的作用。

　　結構顯示，SEIPIN腔結構域包含8個b鏈（稱為b1-b8）和3α個螺旋（稱為α1-α3）。3個α螺旋的2/3螺旋，被命名為“膜錨定螺旋”（圖1c），介導了SEIPIN的寡聚狀態。螺旋之間的界面是疏水的，主要由一些疏水氨基酸通過疏水相互作用和氫鍵幫助形成寡聚復合物（圖2a）。突變相關氨基酸（Mut6）可以破壞寡聚狀態（圖2b,c），并且在細胞水平觀察到，Mut6缺陷影響LD的形成與形態。因此，寡聚化狀態對SEIPIN功能至關重要。

　　SEIPIN的b三明治折疊結合陰離子磷脂。SEIPIN的b-夾心折疊結構由八個b-鏈組成，排列成兩個b片。b-三明治折疊可以在許多脂質結合蛋白中找到。例如，Niemann Pick C2（NPC2）蛋白質主要含有結合甾醇的b-夾心褶皺，PKC的C2結構域結合磷脂酰絲氨酸11。因此，作者猜測SEIPIN還可以通過該b-夾心結構域結合脂質分子。為簡單起見，作者將其稱為“C2樣結構域”。為了測試這種可能性，作者設計了SEIPIN腔內結構域截短并在HEK293F細胞中表達以獲得可溶性“C2樣結構域”。通過篩選，表明“C2樣結構域”與PA的結合明顯（圖3A，Opi1p為酵母蛋白，以其高特異性結合PA的能力而聞名12。PA是細胞中唯一的錐形陰離子脂質，可以通過去質子化增強靜電相互作用13）。為了評估pH對PA-“C2樣結構域”結合的影響，作者發現增加pH增強了“C2樣結構域”和PA之間的相互作用（圖3B）。

　　雖然這些結果更有利于解釋SEIPIN在甘油脂合成中的普遍作用，但它們并不排除SEIPIN在LD生物發生中的重要功能。由于SEIPIN必須形成大的寡聚體才能發揮作用，因此SEIPIN可能在LD形成中具有直接的結構作用。很有可能，SEIPIN寡聚體可以物理地影響特定ER位點的曲率以促進LD起始合成。低聚物還可以幫助捕獲并引導中性脂質進入LD形成。

　　誠然，在此描述的脂質結合測定具有局限性，并且結果決不是決定性的。然而，這些研究結果以及之前的報告確實指出了對SEIPIN功能的可能解釋，將來還需要將對其進行更徹底的研究。總之，該結果提供了人類SEIPIN進化上保守腔區域清晰的結構見解，并表明了磷脂結合可能是SEIPIN功能的組成部分。

　　參考文獻

　　1. Farese Jr, R. V. & Walther, T. C. Lipid droplets finally get a little RESPECT. Cell 139, 855-860 (2009).

　　2. Rosen, E. D. & Spiegelman, B. M. What we talk about when we talk about fat. Cell 156, 20-44 (2014).

　　3. Fei, W., Du, X. & Yang, H. Seipin, adipogenesis and lipid droplets. Trends in Endocrinology & Metabolism 22, 204-210 (2011).

　　4. Fei, W. et al. Fld1p, a functional homologue of human seipin, regulates the size of lipid droplets in yeast. J Cell Biol 180, 473-482 (2008).

　　5. Szymanski, K. M. et al. The lipodystrophy protein seipin is found at endoplasmic reticulum lipid droplet junctions and is important for droplet morphology. Proceedings of the National Academy of Sciences 104, 20890-20895 (2007).

　　6. Wang, H. et al. Seipin is required for converting nascent to mature lipid droplets. Elife 5, e16582 (2016).

　　7. Magré, J. et al. Identification of the gene altered in Berardinelli–Seip congenital lipodystrophy on chromosome 11q13. Nature genetics 28, 365 (2001).

　　8. Fei, W. et al. A role for phosphatidic acid in the formation of “supersized” lipid droplets. PLoS genetics 7, e1002201 (2011).

　　9. Han, S., Binns, D. D., Chang, Y.-F. & Goodman, J. M. Dissecting seipin function: the localized accumulation of phosphatidic acid at ER/LD junctions in the absence of seipin is suppressed by Sei1p ΔNterm only in combination with Ldb16p. BMC cell biology 16, 29 (2015).

　　10. Pagac, M. et al. SEIPIN regulates lipid droplet expansion and adipocyte development by modulating the activity of glycerol-3-phosphate acyltransferase. Cell reports 17, 1546-1559 (2016).

　　11. Lemmon, M. A. Membrane recognition by phospholipid-binding domains. Nature reviews Molecular cell biology 9, 99 (2008).

　　12. Covino, R., Hummer, G. & Ernst, R. Integrated Functions of Membrane Property Sensors and a Hidden Side of the Unfolded Protein Response. Molecular cell 71, 458-467 (2018).

　　13. Kooijman, E. E. et al. An electrostatic/hydrogen bond switch as the basis for the specific interaction of phosphatidic acid with proteins. Journal of Biological Chemistry 282, 11356-11364 (2007).