冷冻电镜解析FASN结构，为攻克多种疾病靶向疗法带来新希望

为解决 FASN 机制及靶向治疗问题，研究人员开展 FASN 结构与功能研究。通过冷冻电镜等技术，揭示其动态特性及 ACP 穿梭机制。该成果为开发更优 FASN 靶向疗法提供依据，极具科研价值，推荐科研人员阅读。

　　

在生命的奇妙旅程中，脂肪酸的合成至关重要，而哺乳动物脂肪酸合酶（FASN）则是这场旅程中的关键 “工匠”。FASN 属于巨合成酶家族，是一种动态的多酶复合体，由一个基因编码六个催化活性结构域和一个灵活连接的酰基载体蛋白（ACP）结构域。在哺乳动物的成长过程里，脂肪酸肩负着构建细胞膜、储存能量、参与细胞信号传导以及蛋白质修饰等重要使命，所以 FASN 成为维持生命正常运转的关键角色。

当疾病的阴影来袭，FASN 又会展现出不同寻常的一面。在癌症、代谢功能障碍相关脂肪性肝病，以及病毒和寄生虫感染等病症中，FASN 的活跃度会异常升高。这一特性，让它成为了医学领域备受瞩目的潜在治疗靶点。目前，针对 FASN 的抑制剂 denifanstat 已经进入各类临床试验阶段，并且在治疗相关疾病方面初露锋芒。不过，就像探索神秘宝藏的道路布满荆棘一样，研究人员发现，完全抑制 FASN 会带来一些意想不到的副作用，比如血小板生成减少、学习能力出现缺陷等。这就如同在关闭一扇 “疾病之门” 时，却不小心打开了另一扇 “副作用之门”。这也意味着，想要安全有效地利用 FASN 这个靶点来治疗疾病，我们对它的工作机制以及在健康和疾病状态下的作用，还需要更深入地了解。

此外，FASN 的 “工作伙伴”——ACP，在脂肪酸合成过程中负责在各个活性位点之间运输反应中间体，它的工作机制就像一场复杂而有序的舞蹈。然而，ACP 与各个结构域之间的相互作用十分短暂，加上研究技术的限制，科学家们一直难以捕捉到它们之间动态变化的全貌。尽管猪 FASN 的晶体结构已经被解析出来，为我们理解 FASN 的工作提供了一定的基础，但关于 ACP 的工作机制，依然像是一团迷雾，笼罩在研究人员的心头。

为了揭开这团迷雾，来自 [第一作者单位] 的研究人员在《Nature》期刊上发表了题为 “Structures of human fatty acid synthase reveal dynamic domain interactions” 的论文。他们通过深入研究，取得了一系列重要成果，为我们理解 FASN 的工作机制带来了新的曙光。

研究人员在这场探索之旅中，运用了多种先进的技术手段。其中，单颗粒冷冻电镜技术（cryo - EM）是他们的 “得力助手”。借助这一技术，研究人员能够在接近生理条件下，观察到 FASN 在不同状态下的三维结构，就像是为 FASN 拍摄了一部高清的 “分子电影”。同时，他们还采用了体外生化实验和细胞实验。体外生化实验就像是一个 “微观工厂”，在这个工厂里，研究人员可以精确控制实验条件，观察 FASN 的活性变化；细胞实验则是在真实的细胞环境中，研究 FASN 的功能，了解它在细胞这个 “小社会” 里的真实表现。

FASN 展现出连续的异质性

研究人员首先制备了用于结构研究的重组人 FASN（hFASN）和用于体外生化实验的小鼠 FASN（mFASN）。他们发现，mFASN 在氧化 NADPH 时，其比活性的 95% 置信区间为 292 - 339 nmol min?1 mg?1 。当以 1:1 的比例滴定乙酰辅酶 A 和丙二酸单酰辅酶 A 时，得到了清晰的剂量反应曲线，并且没有出现底物抑制现象，而且曲线符合别构 S 型模型，这表明 FASN 存在正协同效应。

利用冷冻电镜技术，研究人员得到了 hFASN 与 NADPH 结合的多种构象的结构，分辨率达到 3.2 - 3.8 ?。hFASN 形成了由 KS、DH 和 ER 结构域介导的 X 形同源二聚体，就像一个精巧的 “分子十字架”。在这个 “十字架” 中，研究人员成功解析出了大部分催化结构域和假结构域的结构，但由于 C 末端硫酯酶结构域的柔性，未能解析出它的结构。

更令人惊喜的是，研究人员从单一数据集中解析出了 hFASN 的八种不同构象状态。这些构象展示了修饰区域（KR、DH、ER、ΨKR 和 ΨME 结构域）和缩合区域（MAT 和 KS 结构域）之间的大幅度运动。从状态 1 到状态 4，缩合区域相对修饰区域在同一平面内摆动；从状态 5 到状态 8，缩合区域的 MAT 结构域则旋转出该平面。这种运动就像是两个相互协作的 “分子手臂”，不断调整位置，以适应不同的工作需求。这些发现充分证明了 hFASN 在缩合和修饰区域之间存在连续的运动，而 ACP 则在这个过程中协调着脂肪酸的合成。

NADPH 氧化态驱动结合

在 hFASN 与 NADPH 结合的结构中，研究人员发现 NADPH 在 KR 结构域有很强的电子密度，其催化残基 K1995、S2021 和 Y2034 都靠近 NADPH 的烟酰胺环，这个环就像一个 “能量供应站”，为还原 ACP 上的酮基提供氢负离子。

为了进一步探究 ACP 与 KR 结构域的相互作用，研究人员收集了含有乙酰乙酰辅酶 A 和 NADP?的 hFASN 数据集。虽然未能解析出 ACP 在 KR 结构域的结构，但确定了部分 NADP?与 KR 结构域结合的结构。研究发现，NADP?在 KR 结构域只解析出了腺嘌呤碱基、核糖环和磷酸基团，烟酰胺环部分没有电子密度。而且，NADPH 氧化后，KR 结构域没有发生重大结构重排，这表明烟酰胺环氧化后的结构变化是驱动辅因子释放的关键因素。

此外，在 hFASN - NADP?结构中，ER 结构域没有 NADP?的电子密度，而在 hFASN - NADPH 数据集中，ER 结构域的 NADPH 结合位点则全部被占据。这一系列现象都暗示着 NADP (H) 的氧化态和烟酰胺环的结构变化，在驱动辅因子的结合和释放过程中起着至关重要的作用。

ACP 在 DH 结构域的穿梭机制

在 hFASN - NADPH 和 hFASN - NADP?数据集中，研究人员发现了一个有趣的现象：在 hFASN 的 DH 结构域出现了额外的电子密度，经过分析，他们确定这个密度就是 ACP 结构域。通过 3D 分类和聚焦 refinement，研究人员分别得到了 hFASN - NADPH 和 hFASN - NADP?数据集下，修饰部分含有 ACP 密度的重构结构，分辨率分别为 3.2 ? 和 3.5 ? 。

在这些结构中，ACP 结构域 S2156 上的磷酸泛酰巯基乙胺（Ppant）臂清晰可见，并且可以追踪到 DH 结构域的已知催化残基 H878。研究人员推测，Ppant 臂没有出现酰化现象，可能是因为中间链的多样性导致平均化，或者根本就没有酰化。

为了验证结构中观察到的 ACP 与 DH 结构域相互作用界面的重要性，研究人员对 mFASN 进行了突变实验。他们发现，当突变 DH 结构域上与 ACP 相互作用的残基（如 R883A、I924A、R1105A）时，mFASN 的整体活性显著下降。在细胞实验中，他们构建了 Fasn 基因敲除的小鼠肝癌细胞（D42 - 敲除细胞），并重新表达野生型和突变型 hFASN。结果发现，与体外实验结果一致，破坏 ACP 与 DH 结构域相互作用的突变体，在细胞内的从头脂肪生成（DNL）能力明显受损，这充分证明了在哺乳动物 FASN 中，结构上观察到的 ACP 与 DH 结构域的相互作用界面，对于 ACP 将中间体正确传递到活性位点至关重要，同时也表明这个界面可能是抑制 FASN 的潜在靶点。

ACP 在 ER 结构域的穿梭机制

从 hFASN - NADPH 数据集中，研究人员成功解析出了 ACP 停靠在依赖 NADPH 的 ER 结构域的结构，分辨率达到 3.2 ?。在这个结构中，Ppant 臂可以追踪到 ER 结构域的活性位点，靠近烟酰胺环。当 ACP 与 ER 结构域结合时，NADPH 的腺嘌呤环发生移动，ER 结构域底部的残基 1573 - 1599 以及与 ER 结构域相互作用的 ΨKR 结构域的残基 1535 - 1544 都向 Ppant 臂移动。

研究人员通过突变实验，发现突变 ER 结构域上与 Ppant 臂或 ACP 相互作用的残基（如 M1577A、R1841A），会显著降低 mFASN 的整体活性。在细胞实验中，这些突变体同样阻止了细胞内的 DNL，这进一步证实了破坏 ACP 与 ER 结构域的相互作用会抑制棕榈酸的合成，就像在脂肪酸合成的 “生产线” 上设置了障碍，让生产过程无法顺利进行。

FASN 的构象动力学

基于之前对大鼠 FASN 的研究，有人提出 FASN 修饰和缩合区域之间的构象重排会导致两个反应腔的不对称，从而使 FASN 反应周期在同源二聚体中不同步。研究人员通过对自己获得的结构进行分析，进一步拓展了这一发现。

他们发现，虽然最初可能会认为 FASN 的每个构象都与 ACP 的单个相互作用以及合成周期中的某个步骤相关，但实际情况并非如此。研究人员提出，构象动力学在 hFASN 反应周期的缩合步骤中起着调节作用。例如，状态 1 中缩合区域靠近 ACP，而状态 1 - 4 之间的摆动运动会导致不对称，使得 MAT 结构域只能在一个反应腔中被访问。这表明在缩合区域，ACP 的相互作用是依赖于构象的。

而在修饰部分，研究人员发现 ACP 与 DH 和 ER 结构域的相互作用与缩合区域的构象状态并无关联。在对含有 ACP 在 DH 或 ER 结构域的粒子进行精修时，发现缩合区域的 MAT 结构域没有电子密度，KS 结构域的电子密度也很低。这说明每个反应腔中的 ACP 是异步工作的，它们不会同时与相同的催化结构域相互作用，也不一定同时负载相同的中间体。

在论文的讨论部分，研究人员对这些发现进行了深入思考。他们确定了 hFASN 在多种构象状态下的结构，首次在哺乳动物系统中解析出了 ACP 在 DH 和 ER 结构域的活性构象，并且发现 ACP 与结构域的相互作用独立于整体构象状态。

通过突变实验，研究人员找到了能够显著降低 FASN 活性的突变位点，这为开发新型 FASN 靶向小分子抑制剂提供了新的思路。与之前研究过的酵母和大肠杆菌等生物的 FASN 系统相比，哺乳动物 FASN 中 ACP 与 DH 和 ER 结构域的相互作用既有相似之处，又有明显的差异。相同的是都存在电荷互补的驱动因素，不同的是相互作用的界面面积、涉及的螺旋区域以及与辅因子的结合方式等方面都有所不同。

研究还发现，hFASN 的构象变化会导致同源二聚体的不对称，这种不对称使得 hFASN 能够异步合成棕榈酸，并且这种异步性可能有助于避免因 MAT 结构域的高 promiscuity（混杂性）导致的中间体积聚或错误加载。基于这些结构，研究人员推测状态 1 - 4 可能与 ACP 和 KS、MAT 结构域的相互作用兼容，这为进一步研究 ACP 在哺乳动物 FASN 中的穿梭机制指明了方向。

这项研究成果意义重大，就像为脂肪酸合成领域点亮了一盏明灯。它为我们深入理解 FASN 的复杂工作机制提供了关键线索，帮助我们更清楚地认识脂肪酸合成过程中的奥秘。同时，也为开发更有效的 FASN 靶向治疗药物奠定了坚实的基础，有望在未来为癌症、代谢性疾病等的治疗带来新的突破，让更多患者受益。