AGPAT2在脂质合成与DRP1介导的内质网形态发生中的关键作用

《Nature Communications》：AGPAT2 acts at the crossroads of lipid biosynthesis and DRP1-mediated ER morphogenesis

内质网（ER）形态调控机制是细胞生物学的重要问题。本研究通过基因筛选发现溶血磷脂酸酰基转移酶AGPAT2与动力相关蛋白DRP1协同调控ER形态。研究表明AGPAT2通过产生磷脂酸（PA）直接激活DRP1的ER成管功能，且该过程不依赖GTP水解。这项发表于《Nature Communications》的工作首次揭示脂质代谢酶与膜形态发生蛋白的直接偶联机制，为理解脂质代谢异常疾病（如先天性全身性脂肪营养不良）提供了新视角。

　　

内质网作为细胞中最大的膜性细胞器，其独特的网状结构由扁平状的内质网片层和管状的内质网膜管共同构成。这种特殊的形态对于维持细胞功能至关重要：片层结构主要参与蛋白质合成与修饰，而膜管网络则负责脂质合成、钙信号传导以及与其他细胞器（如线粒体、脂滴等）的相互作用。长期以来，科学家们已经发现多种蛋白质（如网状蛋白reticulons、Climp-63等）参与内质网形态的调控，然而作为脂质合成主要场所的内质网，其自身形态是否受脂质分子调控却一直是个未解之谜。

动力相关蛋白1（DRP1）是发动蛋白超家族成员，已知在线粒体分裂中起关键作用。有趣的是，DRP1也定位于内质网，并能通过其可变结构域中的一段18氨基酸序列（D-十八肽）诱导内质网膜管形成，这一过程不依赖其GTP酶活性或寡聚化能力。前期研究表明DRP1及其D-十八肽都能特异性结合磷脂酸（PA）——一种在脂质合成中起核心作用的信号脂质。这提示磷脂酸可能在内质网形态建成中扮演重要角色，但其具体机制仍有待阐明。

为解决这一科学问题，由约翰斯·霍普金斯大学的Miho Iijima和Hiromi Sesaki领导的研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。研究人员通过系统性筛选18种PA合成酶，发现溶血磷脂酸酰基转移酶AGPAT2是调控内质网形态的关键因子。AGPAT2是甘油磷脂/三酰甘油生物合成通路中的关键酶，其突变会导致先天性全身性脂肪营养不良。本研究综合运用基因敲除、三维电子显微镜（FIB-SEM）、超分辨显微镜、脂质组学、AlphaFold结构预测和体外重构等技术，揭示了AGPAT2通过产生PA并直接作用于DRP1，从而驱动内质网膜管形成的全新机制。

关键技术方法包括：利用CRISPR/Cas9技术构建基因敲除细胞系；通过聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）进行三维超微结构解析；建立体外内质网膜管重构系统；采用脂质组学技术分析脂质组成；运用免疫共沉淀和AlphaFold3预测蛋白质相互作用；开发AGPAT2酶活检测方法。

研究结果如下：

AGPAT2是内质网形态发生的必要条件

通过esiRNA筛选发现，在18种PA合成酶中，只有AGPAT2的敲低会显著减少内质网膜管比例。这一现象在小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）和人源U2OS细胞中得到验证，且可被AGPAT2回补挽救。FIB-SEM三维重构显示，AGPAT2敲除细胞中外周内质网呈现片状结构为主，与DRP1敲除细胞表型相似。值得注意的是，同源酶AGPAT1并不参与该过程，且内质网应激标记物检测排除了间接影响。

AGPAT2的膜拓扑结构与亚细胞定位

TmAlphaFold预测显示AGPAT2为内质网整合膜蛋白。通过选择性透化实验证实其C端朝向胞质侧。共定位分析发现AGPAT2与膜管标志蛋白RTN4A类似，优先富集于内质网膜管区域。

AGPAT2与DRP1协同调控内质网膜管形成

过表达实验表明，AGPAT2促进膜管形成依赖于DRP1的存在，而在RTN4A敲除细胞中仍能发挥作用。相反，DRP1过表达无法挽救AGPAT2敲除细胞的表型。蛋白水平检测发现，AGPAT2缺失会导致片层蛋白Climp-63下调，这可能是一种适应性反应。

体外重构AGPAT2-DRP1介导的内质网膜管形成

建立的无细胞系统证实，DRP1能够将DRP1敲除细胞来源的内质网片层转化为膜管，但对AGPAT2敲除细胞来源的内质网无效。值得注意的是，DRP1的GTP酶缺陷（K38A）和寡聚化缺陷（G350D）突变体仍保留膜管形成能力，且形成的膜管直径（约30纳米）显著小于线粒体分裂相关膜管。添加外源PA可剂量依赖性地恢复AGPAT2敲除内质网对DRP1的响应。

AGPAT2酶活性的关键作用

催化活性位点突变体（H98A、D103N等）均丧失挽救内质网形态的能力。体外酶活实验显示AGPAT2敲除内质网的PA合成能力显著降低。过表达PA磷酸酶LIPIN1能通过降解PA诱导膜管向片层转化，而酶死突变体无此效应。

AGPAT2与DRP1的相互作用机制

免疫共沉淀证实AGPAT2与DRP1存在直接相互作用，且这种相互作用依赖于AGPAT2的酶活性。结构分析表明DRP1通过GTP酶域和茎部域与AGPAT2结合，而PA结合可变域起调控作用。脂质组学显示AGPAT2敲除并不改变内质网PA稳态水平，提示AGPAT2通过局部供给PA而非改变整体脂质组成来发挥作用。

本研究首次揭示了脂质代谢酶AGPAT2在内质网形态建成中的核心地位，建立了脂质合成与膜动力学之间的直接联系。特别值得注意的是，DRP1通过不同的分子机制调控线粒体分裂（依赖GTP水解）和内质网膜管形成（依赖PA结合），这种功能多样性体现了细胞精巧的调控策略。对于AGPAT2突变引起的先天性全身性脂肪营养不良，该研究不仅提供了新的病理机制见解，也为开发靶向治疗策略指明了方向。未来研究可进一步探索不同脂质组分如何特异性调控细胞器形态，以及这种调控在代谢疾病中的病理意义。