PLD3和PLD4合成S,S-BMP,一种 enabling 溶酶体内脂质降解的关键磷脂

PLD3 and PLD4 synthesize S,S-BMP, a key phospholipid enabling lipid degradation in lysosomes.

作者信息Shubham Singh, Ulrich E Dransfeld, Yohannes A Ambaw, Joshua Lopez-Scarim, Robert V Farese, Tobias C Walther
PMID39423811
期刊Cell
发布时间2024-11-27
DOI10.1016/j.cell.2024.09.036

实验完整度

高

包含体外酶活、纯化蛋白、细胞敲除与回补、小鼠组织及疾病突变体等多层证据,并验证了立体化学机制。

主要模型

HMC3细胞 HEK293T细胞 PLD3敲除小鼠 PLD4敲除小鼠

重点核对

PLD3或PLD4过表达后溶酶体提取物的BMP合成活性 纯化PLD3/PLD4的转磷脂酰化反应及产物立体构型 PLD3敲除细胞中BMP水平及神经节苷脂累积 PLD3敲除小鼠脑和PLD4敲除小鼠脾的BMP与神经节苷脂水平

摘要

双(单酰甘油)磷酸(BMP)是一种丰富的溶酶体磷脂,是降解脂质(尤其是神经节苷脂)所必需的。BMP水平的改变与神经退行性疾病相关。与典型的甘油磷脂不同,溶酶体BMP的两个手性甘油碳为S(而非R)立体构型,从而保护其免受溶酶体降解。这种不寻常但关键的S,S立体化学是如何实现的尚不清楚。在此,我们报告磷脂酶D3和D4(PLD3和PLD4)合成溶酶体S,S-BMP,任一酶在体外催化关键的甘油立体反转反应。在PLD3或PLD4高表达的细胞或小鼠组织(PLD3为脑;PLD4为脾)中,敲除PLD3或PLD4显著降低BMP水平,导致神经节苷脂沉积症和溶酶体异常。与神经退行性疾病(包括阿尔茨海默病风险)相关的PLD3突变体降低了PLD3催化活性。我们得出结论:PLD3/4酶合成溶酶体S,S-BMP,这是一种维持大脑健康的关键脂质。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
细胞如何合成溶酶体中具有S,S立体构型的BMP?
核心机制
PLD3和PLD4通过转磷脂酰化反应,以lyso-PG和MAG为底物,催化甘油立体反转,合成S,S-BMP。
主要证据
纯化PLD3/PLD4体外合成S,S-BMP;细胞和小鼠中敲除PLD3或PLD4导致BMP降低、神经节苷脂累积;PLD3疾病突变体降低BMP合成活性。
研究意义
揭示了溶酶体BMP合成关键步骤,为理解溶酶体脂质降解机制及相关神经退行性疾病提供线索。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

验证PG和lyso-PG是BMP前体

确定BMP合成的上游底物

用18:1/18:1 PG或18:1 lyso-PG孵育HMC3和HEK293T细胞,通过免疫荧光和LC-MS/MS检测BMP水平变化。

2

鉴定溶酶体转磷脂酰化反应

验证BMP通过lyso-PG与MAG的转磷脂酰化合成

在HMC3细胞溶酶体提取物中加入R,rac-lyso-PG和18:1 d5-MAG,检测d5-BMP生成;并测试不同底物和pH。

3

筛选并验证PLD3/PLD4合成BMP

确定催化BMP合成的酶

过表达PLD1-6,分离溶酶体检测BMP合成活性;构建催化位点突变体。

4

纯化酶体外合成S,S-BMP并确定立体构型

证明PLD3/PLD4足以催化S,S-BMP合成

纯化重组PLD3/PLD4,与底物反应,通过手性衍生化和LC-MS/MS以及PLA2G15抗性鉴定产物构型。

5

细胞水平验证PLD3/4功能

检验PLD3/4缺失对BMP和溶酶体功能的影响

CRISPR-Cas9构建PLD3敲除细胞,检测BMP、神经节苷脂、ILV、胆固醇和galectin-3等。

6

体内验证PLD3和PLD4功能

验证PLD3/4在小鼠组织中对BMP和神经节苷脂的调控

分析PLD3敲除小鼠脑和PLD4敲除小鼠脾的BMP和神经节苷脂水平。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Dulbecco改良Eagle培养基Gibco11965126
热灭活胎牛血清Gibco10438026
青霉素-链霉素Gibco15140163
FreeStyle 293表达培养基Gibco12338026
PCR检测试剂盒abmG238
RNA提取试剂盒Qiagen74104
sensiFAST cDNA合成试剂盒Meridian BioscienceBIO-65053
Power SYBR Green PCR预混液Applied Biosystems4367659
Q5高保真DNA聚合酶New England BiolabsM0515
NEB-Gibson组装试剂盒New England BiolabsE2611S
Q5定点突变试剂盒New England BiolabsE0554S
PEI-max转染试剂Polysciences24765-100
FuGene HD转染试剂PromegaE2312
嘌呤霉素----
聚brene----
磷脂酰甘油Avanti Polar Lipids--
溶血磷脂酰甘油Avanti Polar Lipids--
S,S-BMPAvanti Polar Lipids--
甲醛BosterBioAR1068
皂苷Sigma-Aldrich47036
牛血清白蛋白Sigma-AldrichA6003
Fluoromount水性封片剂Sigma-AldrichF4680
DQ-BSAInvitrogenD12050
LysoTracker Red DND-99InvitrogenL7528
LysoSensor Green DND-189InvitrogenL7535
LysoSensor Yellow/Blue DND-160InvitrogenL7545
Amplex Red胆固醇测定试剂盒InvitrogenA12216
二抗Santa Cruz Biotechnologysc516102, sc2357
抗HA磁珠----
抗FLAG磁珠Sigma-AldrichA2220
1x FLAG肽Sigma-AldrichF3290
30 kDa浓缩管MilliporeUFC9030
抗FLAG磁珠Sigma-AldrichM8823
Pierce BCA蛋白测定试剂盒Pierce23225
4-甲基伞形酮Sigma-AldrichM1381
人工底物Cayman Chemicals--
吡啶Sigma-Aldrich270970
YMC Chiral ART Cellulose-SZ色谱柱YMC AmericaKSZ99S03-2502WT
Sola HRP SPE 30mg/2mL 96孔板Thermo Scientific60509-001
高效薄层色谱板Sigma-Aldrich1056310001
Orbitrap Exploris 240质谱仪Thermo ScientificBRE725535
C18反相柱Phenomenex00B-4435-E0
C-30反相柱Thermo Scientific078664
LipidSearch 5.0Thermo ScientificOPTON-30880
Excalibur 3.1Thermo ScientificOPTON-30965
基因组DNA提取试剂盒ThermoFisher ScientificK0512

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
脂质孵育
磷脂浓度25 μM,孵育时间6小时,洗涤6次
阅读提示:STAR Methods中Lipid incubations小节
体外BMP合成实验
底物浓度50 μM磷脂和25 μM MAG/DAG,pH 5.4,45分钟,37°C,蛋白量3-5 μg溶酶体提取物或1 μg纯化酶
阅读提示:STAR Methods中In vitro enzymatic assays小节
细胞敲除与回补
CRISPR-Cas9 sgRNA序列,嘌呤霉素筛选浓度1 μg/mL,回补用慢病毒和polybrene 10 μg/mL
阅读提示:STAR Methods中Gene editing小节
小鼠组织分析
小鼠年龄2-3个月,每组6只,雌雄各半
阅读提示:图6和图7图注及STAR Methods中Mouse lines小节