跨膜酰基转移酶超家族(TmAT)结构统一性揭示糖类动态修饰的古老分子机制

本研究通过结构比对揭示AT3和HGSNAT等跨膜酰基转移酶(TmAT)具有保守的10次跨膜螺旋折叠，发现CASD1、PIG-W/GWT1等新成员，阐明其通过膜内酰基-CoA孔道转移酰基的分子机制，为糖修饰相关疾病治疗提供新靶点。

　　

糖类修饰是生命活动中至关重要的过程，从细菌细胞壁构建到人类溶酶体功能都依赖于此。然而，这些发生在膜外的糖修饰如何获得胞内合成的酰基-CoA（酰基辅酶A）作为底物，一直是未解的难题。传统观点认为需要跨膜转运酰基-CoA，但越来越多的证据表明存在一类特殊的跨膜酰基转移酶（Transmembrane Acyl Transferase, TmAT）可直接介导这一过程。其中AT3（Acyltransferase-3）家族和人类HGSNAT（heparan-α-glucosaminide N-acetyltransferase）虽然功能相似，却因序列差异大而被归为不同家族，它们是否具有共同进化起源成为领域内争议焦点。

英国约克大学赫尔约克医学院（Hull York Medical School, University of York）的Bethan E. Kinniment-Williams等研究人员通过结构生物信息学方法，首次证实这两个家族具有完全保守的10次跨膜螺旋（10-TMH）折叠结构，并鉴定出CASD1、PIG-W/GWT1等新成员，最终统一为TmAT超家族。这项发表于《Journal of Biological Chemistry》的研究，不仅解决了长期存在的分类争议，更揭示了从古菌到人类保守的糖修饰分子机器。

研究团队采用AlphaFold预测结构与实验解析的HGSNAT（PDB: 8JKV）进行DALI三维比对，结合Pfam隐马尔可夫模型（HMM）搜索和最大似然法系统发育分析。通过构建32个代表性蛋白的结构相似性网络，并利用BLOSUM62矩阵评估关键位点保守性。人类样本数据来自已公开的HGSNAT突变体功能研究。

Proteins in the TmAT superfamily contain a core conserved 10 TMH fold

结构比对显示AT3代表蛋白OafB与HGSNAT的膜结构域具有惊人相似性（Z score 13.2，RMSD 5.0 ?），均包含：参与酰基-CoA结合的1-4号螺旋（HGSNAT为2-5号）、支架螺旋5-8号（6-9号）以及特征性的弯曲螺旋9-10号（10-11号）。这种结构布局在所有分析的细菌、古菌和真核生物成员中高度保守。

Expanding the TmAT superfamily

通过Pfam CL0316家族的55个蛋白结构聚类分析，确认7个家族具有真正同源性。其中GWT1/PIGW虽序列差异大，但新解析的晶体结构（研究修订期间发表）显示其具有典型TmAT折叠，被纳入超家族。而DUF3120和DUF3623因缺乏核心折叠被排除。

The most highly conserved sequence and structural elements

序列-结构联合分析鉴定出6个超保守残基：TMH1的DxxR基序（Arg47突变导致HGSNAT和OafB失活）、TMH2的Phe（Phe52突变影响HGSNAT活性）、TMH3的RxxR基序（首个Arg在HGSNAT中关键）、TMH6的Gly（G514E突变引发Sanfilippo C型病）以及TMH9的Tyr（在OatA中验证必需）。这些残基共同构成酰基-CoA结合孔道，其中80%相互作用位点针对CoA的通用腺苷部分，而硫酯键附近则呈现家族特异性。

PIGW/GWT1

真菌GWT1蛋白的解析结构证实其虽缺失DxxR基序的天冬氨酸，但仍保留TmAT折叠特征。该酶使用棕榈酰-CoA（C16）修饰肌醇糖链，其酰基通道比其他成员更宽，可容纳C10-C16链长，这解释了其在糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定合成中的独特作用。

CASD1

人类唾液酸-O-乙酰转移酶CASD1的TmAT结构域此前被忽视。研究提出其可能通过类似OafB的机制，将乙酰基从胞质乙酰-CoA转移至高尔基体腔内的SGNH结构域，挑战了"高尔基体需要乙酰-CoA转运体"的传统认知。

VanTG

耐万古霉素菌的VanT蛋白中，AT3结构域的功能长期被忽视。研究发现临床耐药突变多集中于该区域，提示其可能通过未知的酰化作用参与耐药机制。

这项研究通过结构统一性分析重新定义了TmAT超家族，揭示其作为古老分子机器在糖动态修饰中的核心作用。从细菌抗生素耐药（如VanTG）、真菌细胞壁合成（GWT1）到人类溶酶体贮积症（HGSNAT）、癌症相关糖修饰（CASD1），这些发现为相关疾病治疗提供了新视角。特别值得注意的是，TmAT机制避免了酰基-CoA的跨膜转运，而是直接将其"贯穿"膜结构进行传递，这种精巧设计可能成为新型抗菌药物的靶点。研究建立的10-TMH折叠模型和6个超保守残基标准，将为未来膜结合酶的功能预测和分类提供重要框架。