近日，华中农业大学园艺林学学院程运江教授、朱峰研究员研究团队联合生命科学技术学院殷平教授研究团队在Science Advances期刊上发表题为“Structural basis of VLCFA chain-length determination by the KCS6-CER2 complex in plants”的研究成果。园艺林学学院博士后汪洋、生命科学技术学院博士后官泽源和王强研究员为论文第一作者。程运江教授、殷平教授和朱峰研究员为论文通讯作者。

超长链脂肪酸（VLCFAs，≥C20）在众多生命活动中发挥着至关重要的作用。植物中C20–C24 VLCFAs主要参与膜磷脂的合成，调节细胞膜的流动性和稳定性；C26–C28 VLCFAs在植物的花粉壁结构形成中具有关键作用；C30及以上的VLCFAs则主要参与形成植物表皮细胞外的蜡质结构，减少水分流失、紫外线损伤及高温胁迫等，对植物适应陆地环境至关重要。此外，VLCFAs还是化妆品、药品及生物燃料等工业领域的重要原料。

图1 植物超长链脂肪酸延伸机制的模式图

在真核生物中，VLCFAs的合成由内质网中的一系列酶催化完成，其中负责第1步反应的延伸酶决定合成VLCFAs的碳链长度。与动物和真菌中的延伸酶（ELOs）不同，植物通过β-酮酰辅酶A合酶（KCSs）和ECERIFERUM2（CER2）家族成员协同催化不同碳链长度VLCFAs的延伸。尽管近年来在多种植物中陆续鉴定出一系列KCS和CER2家族成员，参与VLCFAs的延伸功能，但这两个家族如何协同控制不同碳链长度VLCFAs延伸的结构基础与生化机制仍不清楚，阻碍了对植物VLCFAs合成的靶向改良及其工业化应用。

图2 植物中VLCFA延伸的KCS6-CER2模块化系统

本研究以具有重要经济价值的园艺果树——柑橘为例，通过KCS家族及CER2家族的全基因组鉴定与酵母表达体系的功能验证，挖掘出了控制VLCFAs延伸的关键酶复合物KCS6-CER2，负责C24-C30 VLCFAs的延伸。基于KCS6-CER2复合物的结构分析，鉴定到了该复合物中延伸VLCFAs所需的底物结合区域——催化腔。其中，KCS6作为核心酶，提供延伸反应的活性中心以及催化腔的主体；CER2则作为辅因子，附在KCS6胞质侧的侧面，提供疏水“盖子”，进而拓展了KCS6的催化腔，使其能够容纳更长的VLCFAs底物（≥C28）。通过对催化腔中的关键氨基酸进行点突变，评估了各氨基酸控制延伸不同碳链长度VLCFAs的贡献，表明其催化腔的疏水性及体积共同决定了最终合成VLCFAs的碳链长度。此外，系统发育进化树和功能验证实验表明，KCS6-CER2复合物起源于陆生维管植物且其延伸机制在物种间高度保守。

论文链接：

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