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Nature子刊 | 浙江大学联合国外多机构揭秘肝细胞中脂滴稳态的调控：zDHHC11对ATGL的S-酰基化作用
Highlights
1. zDHHC11通过S-酰基化修饰ATGL，调控肝细胞中的脂滴代谢
2. ATGL的Cys15位点的S-酰基化对其催化活性至关重要
近日，“Nature Metabolism”（IF=18.9）上发表了一篇题为“S-acylation of ATGL is required for lipid droplet homoeostasis in hepatocytes”的文章。文章研究了脂滴在肝细胞中的代谢稳态，特别是聚焦于脂滴的分解代谢过程。
研究背景介绍
脂滴（LDs）是细胞内的一种特殊细胞器，主要负责储存中性脂质，如甘油三酯、胆固醇酯等。它们在调节细胞内的脂质平衡和能量代谢中发挥重要作用。
S-酰基化也称为蛋白质棕榈酰化，是一种蛋白质翻译后修饰方式，涉及将长链脂肪酸，通常是棕榈酸，共价连接到蛋白质上的半胱氨酸残基的硫醇基团上。
zDHHC11是一种酰基转移酶，属于zDHHC家族成员之一，主要参与S-酰基化过程。
ATGL是一种主要的脂解酶，负责催化脂滴中甘油三酯水解的第一步，是调节脂质代谢的关键酶。
研究思路分析
研究技术路线图
01zDHHC11对脂滴的影响
①荧光标记HepG2细胞中zDHHC酶，并监测LD的大小和数量发现，zDHHC11的过表达对LD大小和数量的影响最为显著，且该影响依赖于zDHHC11的转移酶活性。
②体内实验中，通过肝脏靶向的腺相关病毒在小鼠中过表达Zdhhc11，发现无论饮食类型如何，过表达Zdhhc11的小鼠肝脏LD数量和甘油三酯（TAG）含量均显著减少。
③使用短发夹RNA(shRNA)和CRISPR/Cas9系统敲除ZDHHC11，发现与对照组相比，敲除细胞的脂滴尺寸和数量增加，细胞内TAG水平上升，基础脂肪分解减少。
④此外，敲除ZDHHC11的细胞在添加油酸/牛血清白蛋白复合物后，TAG产生显著增加，表明zDHHC11缺失可能在促进脂滴扩张中发挥作用。使用LiveDrop标记新形成的脂滴，发现ZDHHC11缺失并不影响新脂滴的形成或中立脂质的积累，而是在调节脂滴分解代谢中发挥作用。
02zDHHC11与脂解过程的关联
①使用BODIPY 558/568 C12作为探针，发现在营养缺乏条件下，zDHHC11缺失的细胞中脂滴向溶酶体的运输和脂肪酸从脂滴向线粒体的转移减少。②此外，还检测了与脂滴分解相关的自噬蛋白，发现在zDHHC11缺失的细胞中，PLIN3水平上升，这与脂滴数量的增加一致。表明zDHHC11对于脂滴的分解和脂肪酸的β-氧化至关重要。
②研究表明，与zDHHC11耗竭类似，ATGL的缺失会导致LD显著增大和脂肪酸向线粒体的转运显著减少。在HepG2zDHHC11+(B)-KO细胞中，尽管总ATGL水平没有变化，但p-ATGL和p-HSL的水平发生了显著变化，这表明ATGL被激活而HSL被抑制，这种改变暗示了zDHHC11的缺失导致了脂解调控的功能异常。
③研究还发现，zDHHC11可能通过直接与ATGL相互作用来调节LD的脂解，并且ATGL可能是通过zDHHC11进行S-酰化。使用酰基-生物素交换（ABE）实验证实了ATGL的S-酰化，并且在HepG2zDHHC11+(B)-KO细胞中，ATGL的S-酰化水平显著降低。
03ATGL的S-酰基化及其功能
①通过点突变和ABE分析，发现Cys15是ATGL S-酰基化的主要位点。此外，Cys144也被鉴定为S-酰基化位点，尽管其S-酰基化对ATGL的功能不是必需的。Cys144位于LC3相互作用区域附近，这表明S-酰基化可能通过影响ATGL的定位和活性来调节脂滴的分解。
②通过在HepG2细胞中过表达ATGL的Cys15突变体(C15S)，发现这种突变体不能像野生型ATGL那样减少脂滴的大小和数量。此外，通过使用ABE分析证实了C15S突变体的S-酰基化水平降低。表明，ATGL的Cys15 S-酰基化对其在细胞内的脂肪酶活性至关重要。
③进一步的实验，包括线粒体氧消耗率测量、Red C12脉冲-追逐实验和营养缺乏条件下DGAT1i依赖的脂滴形成实验，发现ATGLC15S突变体的脂解活性降低，这与zDHHC11缺失的细胞中观察到的表型一致。通过体内实验，证实了ATGL在Cys15位点的S-酰基化对其在小鼠肝脏中的活性至关重要。
图1. zDHHC11的过表达减少了HepG2细胞和小鼠肝脏中的脂滴大小和数量
图2. zDHHC11+(B)的缺乏不影响脂滴的生物合成
图3. zDHHC11对脂滴分解代谢是必需的
图4. ATGL由zDHHC11进行S-酰基化
图5. ATGL的Cys15棕榈酰化对ATGL脂肪酶活性是必需的
结论与讨论
本文揭示了zDHHC11通过S-酰基化修饰ATGL的Cys15位点，对肝细胞脂滴的分解代谢至关重要。zDHHC11的过表达能够减少脂滴的大小和数量，而其功能丧失则导致脂滴积累和甘油三酯含量上升。此外，ATGL的S-酰基化是其发挥脂肪酶活性的关键，这一发现为治疗与脂解缺陷相关的疾病提供了新的潜在靶点。
尽管已经明确了zDHHC11对ATGL的S-酰基化修饰及其在脂滴代谢中的作用，但仍需进一步研究zDHHC11在不同组织中的作用机制，以及其在病理状态下的功能变化。此外，还需探索调节zDHHC11-ATGL途径的潜在药物，以及这一途径在其他代谢性疾病中的可能作用，为开发新的治疗策略提供科学依据。