Structure and regulation of lipid metabolism and transport

脂质代谢和运输的结构和调节

基本信息

项目摘要

PROJECT SUMMARY: We are interested in understanding how lipid-metabolizing enzymes and lipid transport proteins function and are regulated at the molecular and structural level. Previously, we focused on two enzymes in phosphatidic acid (PA) metabolism: lipin and phospholipase D (PLD). Lipins are PA phosphatases that dephosphorylate PA to generate diacylglycerol, which is the penultimate step in triglyceride biosynthesis. Lipins regulate phospholipid and lipoprotein synthesis, fat storage as triglycerides, fatty acid synthesis, and insulin sensitivity with implications to obesity, diabetes, and cardiovascular disease. PLDs hydrolyze phosphatidylcholine to produce the lipid second messenger PA in response to extracellular stimuli. Receptor- mediated activation of PLD regulates vesicular trafficking, cell proliferation, and cell migration, which has established them as therapeutic targets for cancer. Despite extensive studies on these highly regulated, multi- domain enzymes, significant gaps remain in our knowledge of their molecular mechanisms of action. During the past funding period, we determined the first structures of lipin and PLD, identified a new type of membrane- binding domain in lipins, and provided insight into PLD activation by lipids and protein effectors. These discoveries provide an excellent foundation for this application, where our main goals include 1) continuing to understand how PLD is activated by protein effectors and lipids, and 2) examining the molecular mechanisms regulating lipin PA phosphatase activity and PA substrate specificity. We will also 3) biochemically and structurally characterize the nuclear envelope protein phosphatase complex CTDNEP1-NEP1R1, which dephosphorylates lipin to control lipin PA phosphatase activity; and 4) study the structure and function of Nir lipid transfer proteins, which transfer PA and phosphatidylinositol between membrane contact sites to replenish pools of plasma membrane phosphoinositides after hydrolysis by PLC. Structural studies will be complemented by an array of lipid biochemistry and lipid-protein interaction assays that we are well versed in, hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry, and cellular studies in mammalian cells. A network of collaborators who are leaders in their respective fields supports these studies. We aim to answer several major questions: (1) How does the structure of lipid-modifying enzymes allow them to recognize their lipid substrates and interact with the membrane? (2) What role do structurally and/or functionally uncharacterized domains play in the action of these proteins? (3) How are these enzymes/proteins regulated? Specifically, are they autoinhibited? how do protein effectors, lipids, ions, and post-translational modifications regulate activity? and what conformational changes occur during activation? Overall, this work will improve our understanding of biological mechanisms and provide information on lipid-protein interactions of physiological and pharmacological significance.
项目摘要:我们有兴趣了解脂质代谢酶和脂质运输如何 蛋白质在分子和结构水平上发挥作用并受到调节。之前,我们重点关注两种酶 磷脂酸 (PA) 代谢中:脂质和磷脂酶 D (PLD)。脂质是 PA 磷酸酶, PA 去磷酸化生成二酰基甘油,这是甘油三酯生物合成的倒数第二步。脂类 调节磷脂和脂蛋白合成、甘油三酯形式的脂肪储存、脂肪酸合成和胰岛素 敏感性与肥胖、糖尿病和心血管疾病有关。 PLD 水解 磷脂酰胆碱产生脂质第二信使 PA,以响应细胞外刺激。受体- PLD 介导的激活调节囊泡运输、细胞增殖和细胞迁移, 将它们确立为癌症的治疗靶点。尽管对这些高度监管的、多 对于域酶,我们对其分子作用机制的了解仍然存在重大差距。期间 在过去的资助期间,我们确定了脂质和PLD的第一个结构,确定了一种新型膜- 脂质中的结合域,并提供了对脂质和蛋白质效应子激活 PLD 的深入了解。这些 这些发现为该应用奠定了良好的基础,我们的主要目标包括 1) 继续 了解 PLD 如何被蛋白质效应子和脂质激活,2) 检查分子机制 调节脂质PA磷酸酶活性和PA底物特异性。我们还将 3) 生化和 结构表征核膜蛋白磷酸酶复合物 CTDNEP1-NEP1R1, 使脂质去磷酸化以控制脂质 PA 磷酸酶活性; 4)研究Nir脂质的结构和功能 转移蛋白,在膜接触位点之间转移 PA 和磷脂酰肌醇以补充池 PLC水解后的质膜磷酸肌醇。结构研究将得到补充 我们精通的一系列脂质生物化学和脂质-蛋白质相互作用测定,氢-氘 交换质谱分析和哺乳动物细胞的细胞研究。合作者网络 各自领域的领导者支持这些研究。我们的目标是回答几个主要问题:(1)如何 脂质修饰酶的结构是否允许它们识别其脂质底物并与脂质相互作用 膜? (2) 结构和/或功能上未表征的域在这些作用中发挥什么作用? 蛋白质? (3) 这些酶/蛋白质是如何调节的?具体来说,它们是自抑制的吗?蛋白质怎么做 效应子、脂质、离子和翻译后修饰调节活性?以及什么构象变化 激活期间发生?总的来说,这项工作将提高我们对生物机制的理解,并提供 有关具有生理和药理学意义的脂质-蛋白质相互作用的信息。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
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专利数量(0)
Targeting Sterylglucosidase A to Treat Aspergillus fumigatus Infections.
  • DOI:
    10.1128/mbio.00339-23
  • 发表时间:
    2023-04-25
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
  • 通讯作者:
Publisher Correction: Crystal structure of a lipin/Pah phosphatidic acid phosphatase.
出版商更正:脂质/Pah 磷脂酸磷酸酶的晶体结构。
  • DOI:
    10.1038/s41467-020-15509-0
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Khayyo,ValerieI;Hoffmann,ReeceM;Wang,Huan;Bell,JustinA;Burke,JohnE;Reue,Karen;Airola,MichaelV
  • 通讯作者:
    Airola,MichaelV
Structure and regulation of human phospholipase D.
  • DOI:
    10.1016/j.jbior.2020.100783
  • 发表时间:
    2021-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Bowling FZ;Frohman MA;Airola MV
  • 通讯作者:
    Airola MV
The middle lipin domain adopts a membrane-binding dimeric protein fold.
  • DOI:
    10.1038/s41467-021-24929-5
  • 发表时间:
    2021-08-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Gu W;Gao S;Wang H;Fleming KD;Hoffmann RM;Yang JW;Patel NM;Choi YM;Burke JE;Reue K;Airola MV
  • 通讯作者:
    Airola MV
Structure and mechanism of the human CTDNEP1-NEP1R1 membrane protein phosphatase complex necessary to maintain ER membrane morphology.
维持内质网膜形态所必需的人 CTDNEP1-NEP1R1 膜蛋白磷酸酶复合物的结构和机制。
  • DOI:
    10.1101/2023.11.20.567952
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Gao,Shujuan;CarrasquilloRodríguez,JakeW;Bahmanyar,Shirin;Airola,MichaelV
  • 通讯作者:
    Airola,MichaelV
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