01 研究背景
脂滴（LDs）是儲存中性脂、膽固醇酯和甘油三酯的細胞器，從而保護細胞免受過量脂質的毒性，同時允許在營養剝奪時動員脂質。LD功能缺陷與許多疾病有關，zDHHC酰基轉移酶介導的S酰化修飾修飾了數千種蛋白質，然而這種翻譯后修飾對單個蛋白質的生理影響尚不清楚。2024年8月14日，浙江大學醫學院附屬第四醫院Dante Neculai、劉偉團隊聯合加拿大多倫多大學Brian Raught團隊和加拿大戴爾豪斯大學Gregory D. Fairn團隊在Nature Metabolism (IF 18.9)上發表文章“S-acylation of ATGL is required for lipid droplet homoeostasis in hepatocytes”，發現zDHHC11通過改變脂肪三酰甘油脂肪酶(ATGL)來調節LD分解代謝，表明S酰化是ATGL功能和LD穩態調節的一種模式，調節這一途徑可能為治療與脂肪分解缺陷相關的疾病(如脂肪肝)提供治療潛力。
02 結果展示
1. zDHHC11酰基轉移酶影響LD的大小和豐度
為了深入研究蛋白S酰化在LD功能中的作用，作者在HepG2細胞分別過表達23種綠色熒光蛋白(GFP)標記zDHHC酶，并監測LD的大小和豐度，發現zDHHC11的過表達對LD的大小和豐度有最顯著的影響，過表達zDHHC1的HepG2、Huh7和AML12細胞中的LD數量更少、單個LD的橫截面積和每個細胞的總LD面積都顯著減少。作者進一步確定了zDHHC11對LD的影響是否依賴其轉移酶活性，在HepG2中的短暫過表達催化失活的zDHHC11 (C155S)突變體，發現不會改變HepG2中LD的大小和計數，表明zDHHC11介導的S酰化影響細胞的LD穩態。進一步研究發現ZDHHC11的損失增加了LD的大小、豐度和TAG的含量，zDHHC11是脂肪分解和β氧化所必需的。
圖1 zDHHC11酰基轉移酶影響LD的大小和豐度
2. zDHHC11與ATGL相互作用并S酰化ATGL
先前的研究表明，與zDHHC11缺失類似，ATGL的缺失會導致LD顯著增大，并顯著減少脂肪酸向線粒體的轉運。作者發現過表達 ATGL，導致LD顯著減小，zDHHC11 敲除導致ATGL被激活，因此作者推測zDHHC11通過調節ATGL調控脂肪分解。作者首先探究了zDHHC11介導的LD表型是否與細胞中ATGL亞細胞定位有關，發現在每種代謝情景下，WT HepG2和HepG2 zDHHC11-KO細胞的ATGL亞細胞定位相似。然后作者推測zDHHC11可能通過蛋白相互作用直接影響ATGL，免疫沉淀實驗表明zDHHC11通過與ATGL相互作用調節LD脂肪分解，酰基生物素交換(ABE)實驗發現，細胞的內源性ATGL被S酰化，但在zDHHC11敲除的細胞中，ATGL的S酰化基本被消除。這些結果表明ATGL被S酰基化，zDHHC11是ATGL的主要酰基轉移酶。
圖2 zDHHC11與ATGL相互作用并S酰化ATGL
3. ATGL Cys15 S酰化是ATGL脂肪酶活性的必要條件
作者測定了ATGLS酰化位點，ABE分析確定Cys15為S酰化位點，并且C15S突變體保留了LD豐度并與LD相關。此外過表達ATGL可消除LD，過表達ATGL C15S突變基因和ATGLS47A（ATGL催化失活突變體）對LD的大小或豐度沒有影響。為了進一步確認Cys15 S酰化位點的功能作用，作者進行了一系列檢測，包括測量CM和血清饑餓條件下的線粒體OCR, Red C12脈沖追蹤，以及營養饑餓下dgat1i依賴性LD形成，發現所有結果與HepG2 zDHHC11ko細胞的結果相似，進一步表明zDHHC11與ATGL之間的酶-底物關系以及翻譯后修飾的重要性。作者在體內進一步證實了上述結果，利用AAV生成了肝臟內源性mATGL敲低并過表達WT mATGL或mATGLC15S的小鼠，發現與mATGLC15S組相比，mATGL組小鼠LD和TAG含量降低。此外與mATGL組相比，mATGLC15S組小鼠肝臟中PLIN3的表達顯著增加，并且無論飲食變化如何，HSL、CGI-58和ATGL水平保持不變。這些發現強調了ATGL在Cys15位置的S酰化對其在細胞內的酶活性至關重要。
圖3 ATGL Cys15 S酰化是ATGL脂肪酶活性的必要條件
03 實驗結論
本研究發現zDHHC11在人類HCC樣本中的表達降低，并揭示了一種以前未被認識到的調節ATGL活性和LD代謝的機制，這可能為靶向zDHHC11介導的ATGL S酰化修飾以糾正病理性脂質積累的策略鋪平道路。