人激素敏感脂肪酶与脂滴结合的分子决定因素：H-基序和N端4-螺旋束的发现及其在脂解调控中的作用

时间：2025年4月13日

来源：Nature Communications

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本期推荐：研究人员针对激素敏感脂肪酶（HSL）与脂滴（LDs）结合的分子机制这一长期未解问题，通过冷冻电镜（cryo-EM）和氢氘交换质谱（HDX-MS）等技术，首次鉴定出HSL中负责脂滴结合的H-基序（489-538位残基）和N端4-螺旋束，发现其结合能力独立于PKA催化的磷酸化，为理解脂解调控提供了新视角。

在细胞能量代谢的精密调控网络中，脂滴（LDs）作为中性脂质储存的关键细胞器，其动态分解过程——脂解作用，直接影响机体的能量稳态。激素敏感脂肪酶（HSL）作为脂解核心酶，负责将二酰甘油（DAG）水解为单酰甘油（MAG），但半个多世纪以来，HSL如何靶向脂滴的分子机制始终是未解之谜。传统观点认为HSL通过PKA磷酸化被激活并募集至脂滴，然而多项研究显示，未受刺激的HSL仍能基础性结合脂滴，且不同细胞类型中磷酸化对HSL定位的影响存在矛盾。这些争议提示，可能存在独立于磷酸化的直接结合机制，但相关结构基础和分子决定因素长期缺失。

西湖大学的研究团队通过系统性研究，首次解析了人HSL 3.4 Å的冷冻电镜结构，结合氢氘交换质谱、人工脂滴结合实验和细胞成像技术，揭示了HSL与脂滴相互作用的两大关键元件：位于调节域的H-基序（489-538位残基，含F⁵¹⁹/W⁵²⁶/F⁵³⁰芳香族残基关键簇）和N端4-螺旋束（1-136位残基，含RRSIFFR两亲性环）。这些发现发表于《Nature Communications》，为理解脂解调控提供了全新结构基础。

关键技术方法包括：1）利用Expi293F细胞表达系统纯化人HSL蛋白；2）冷冻电镜解析HSL三维结构；3）氢氘交换质谱分析脂滴结合引起的构象变化；4）人工脂滴（ALD）浮选实验定量结合能力；5）3T3-L1前脂肪细胞和脂肪细胞模型验证生理相关性。

研究结果部分：
"HSL与人工脂滴相互作用"：通过DOPC/DOPE-TAG混合体系证实HSL能直接结合人工脂滴，结合率高达80%，而对照蛋白MBP仅10%。

"人HSL的冷冻电镜结构"：解析的HSL为头尾相连的同源二聚体，包含N端域、催化域（CD1-CD3亚域）和未解析的调节域（492-637），催化三联体S⁴²⁴-D⁶⁹³-H⁷²³与细菌同源物EST2保守。

"调节域是HSL主要的脂滴结合区域"：删除调节域（Δ489-659）使ALD结合率显著降低，且丧失水解长链底物EnzChek的能力，但在3T3-L1前脂肪细胞中仍保留pNPB短链底物活性。

"HDX-MS鉴定HSL中的脂滴结合区域"：显示调节域和N端4-螺旋束在结合脂滴时构象变化最显著，其中511-535螺旋是核心区域。

"H-基序的鉴定"：截断实验证实489-538片段（H-基序）足以介导30%ALD结合，其芳香族残基突变（F⁵¹⁹V/W⁵²⁶V/F⁵³⁰V）完全破坏定位。

"N端4-螺旋束是另一个脂滴结合基序"：I¹⁰⁰A/F¹⁰¹A突变削弱结合，与基序突变叠加（5A）产生协同效应。

"脂滴结合基序与磷酸化的关系"：在3T3-L1前脂肪细胞中，HSL基础定位依赖H-基序，但PKA激活（福司柯林处理）不增强结合；而在分化脂肪细胞中，PKA磷酸化能独立促进HSL定位，提示细胞类型特异性调控。

这项研究突破性地揭示了HSL靶向脂滴的双重机制：1）结构性机制——通过H-基序和4-螺旋束直接结合；2）调节性机制——在脂肪细胞中受PKA磷酸化增强。这不仅解释了早期研究中基础结合与激素刺激反应的矛盾现象，更提出了"脂滴结合基序"的新概念，为代谢疾病（如肥胖和胰岛素抵抗）中脂解失调的治疗提供了精准靶点。特别值得注意的是，磷酸化对纯化HSL的酶活无直接影响，暗示其在体效应可能通过改变蛋白互作而非直接激活酶活实现。未来研究可聚焦于这些基序在病理条件下的动态调控，以及它们与其他脂滴蛋白（如PLIN1）的协同作用机制。