近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院程運江教授、朱峰研究員研究團隊聯(lián)合生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院殷平教授研究團隊在Science Advances期刊上發(fā)表題為“Structural basis of VLCFA chain-length determination by the KCS6-CER2 complex in plants”的研究成果。園藝林學(xué)學(xué)院博士后汪洋、生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士后官澤源和王強研究員為論文第一作者。程運江教授、殷平教授和朱峰研究員為論文通訊作者。

超長鏈脂肪酸（VLCFAs，≥C20）在眾多生命活動中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。植物中C20–C24 VLCFAs主要參與膜磷脂的合成，調(diào)節(jié)細胞膜的流動性和穩(wěn)定性；C26–C28 VLCFAs在植物的花粉壁結(jié)構(gòu)形成中具有關(guān)鍵作用；C30及以上的VLCFAs則主要參與形成植物表皮細胞外的蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)，減少水分流失、紫外線損傷及高溫脅迫等，對植物適應(yīng)陸地環(huán)境至關(guān)重要。此外，VLCFAs還是化妝品、藥品及生物燃料等工業(yè)領(lǐng)域的重要原料。

圖1 植物超長鏈脂肪酸延伸機制的模式圖

在真核生物中，VLCFAs的合成由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的一系列酶催化完成，其中負責(zé)第1步反應(yīng)的延伸酶決定合成VLCFAs的碳鏈長度。與動物和真菌中的延伸酶（ELOs）不同，植物通過β-酮酰輔酶A合酶（KCSs）和ECERIFERUM2（CER2）家族成員協(xié)同催化不同碳鏈長度VLCFAs的延伸。盡管近年來在多種植物中陸續(xù)鑒定出一系列KCS和CER2家族成員，參與VLCFAs的延伸功能，但這兩個家族如何協(xié)同控制不同碳鏈長度VLCFAs延伸的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與生化機制仍不清楚，阻礙了對植物VLCFAs合成的靶向改良及其工業(yè)化應(yīng)用。

圖2 植物中VLCFA延伸的KCS6-CER2模塊化系統(tǒng)

本研究以具有重要經(jīng)濟價值的園藝果樹——柑橘為例，通過KCS家族及CER2家族的全基因組鑒定與酵母表達體系的功能驗證，挖掘出了控制VLCFAs延伸的關(guān)鍵酶復(fù)合物KCS6-CER2，負責(zé)C24-C30 VLCFAs的延伸�；贙CS6-CER2復(fù)合物的結(jié)構(gòu)分析，鑒定到了該復(fù)合物中延伸VLCFAs所需的底物結(jié)合區(qū)域——催化腔。其中，KCS6作為核心酶，提供延伸反應(yīng)的活性中心以及催化腔的主體；CER2則作為輔因子，附在KCS6胞質(zhì)側(cè)的側(cè)面，提供疏水“蓋子”，進而拓展了KCS6的催化腔，使其能夠容納更長的VLCFAs底物（≥C28）。通過對催化腔中的關(guān)鍵氨基酸進行點突變，評估了各氨基酸控制延伸不同碳鏈長度VLCFAs的貢獻，表明其催化腔的疏水性及體積共同決定了最終合成VLCFAs的碳鏈長度。此外，系統(tǒng)發(fā)育進化樹和功能驗證實驗表明，KCS6-CER2復(fù)合物起源于陸生維管植物且其延伸機制在物種間高度保守。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.adz9463