💡这项突破是什么?
南湖新闻网讯（通讯员 汪洋）近日，园艺林学学院程运江教授团队联合中国科学院广州生物医药与健康研究院王茜敏研究员、广州医科大学徐有伟教授团队研究成果以“Structural snapshots of plant-specific KCS6-CER2 complex reveal the elongation mechanism of very-long-chain fatty acids”为题在Molecular Plant发表。研究以早期分化的陆生维管植物江南卷柏（Selaginella moellendorffii）为研究对象，获得了植物特异性KCS6-CER2酶复合物多个关键催化状态的结构快照，完整解析了植物超长链脂肪酸（Very-long-chain fatty acids，VLCFAs）缩合延伸的分子机制。
▲图1 KCS6-CER2酶复合物催化植物超长链脂肪酸延伸的分子机制示意图
超长链脂肪酸（VLCFAs，≥C20）是植物膜脂、鞘脂、木栓质和角质层蜡质的重要组成成分，在减少水分散失、抵御病原菌侵染和增强环境适应性等方面发挥关键作用，也是医药、化妆品和生物燃料等领域的重要工业原料。植物VLCFAs由内质网上的脂肪酸延伸酶复合体（FAE）迭代催化合成，其中延伸酶负责催化延伸循环第一步，是决定反应起始和碳链长度的关键限速酶（图1A）。不同于动物和真菌依赖Elongase催化VLCFAs延伸，植物在演化过程中形成了由β-酮酰辅酶A合酶（KCS）和ECERIFERUM2（CER2）家族协同介导的特有延伸体系。然而，由于长期缺乏底物结合态和产物形成态等关键催化状态的结构信息，植物VLCFAs碳链延伸如何完成底物识别、碳链缩合延伸及产物形成，其完整分子机制仍不清楚。江南卷柏是现存早期分化的陆生维管植物之一，也是目前已知最早形成KCS6-CER2协同延伸模块的代表类群。以江南卷柏为研究对象，不仅有助于系统揭示植物特有VLCFAs延伸体系的工作机制，也为从进化角度解析该体系在植物登陆早期的形成与演化提供了重要模型。
研究团队利用冷冻电镜技术，获得覆盖KCS6-CER2酶复合物催化VLCFAs缩合延伸完整反应的多个关键结构快照，包括游离态、C22:0脂酰-CoA底物结合态、二碳供体丙二酰-CoA结合态和β-酮脂酰-CoA产物形成态，重构了植物VLCFAs一次完整的缩合延伸反应，并从原子水平系统揭示了底物识别、脂酰链装载、二碳缩合及产物形成等关键催化过程，首次完整解析了植物VLCFAs延伸的分子机制（图1B）。研究还意外发现了KCS6-CER2酶复合物中一个此前未被识别的脂酰辅酶A结合侧腔，并捕获了C22:0脂酰-CoA结合于该侧腔的结构，证实其对VLCFAs高效延伸至关重要，进一步拓展了对植物VLCFAs生物合成机制的认识。跨物种结构比较和系统发育分析表明，这一协同催化机制及其关键结构特征在陆生维管植物柑橘、番茄、玉米及拟南芥等中高度保守。因此，KCS6-CER2酶复合物介导的VLCFAs延伸模块在植物登陆早期已经形成，并在后续演化过程中持续保留。
该研究首次完整解析了植物特异性KCS6-CER2酶复合物调控VLCFAs碳链延伸的分子机制，并发现了参与脂酰-CoA结合的新型侧腔结构，不仅深化了人们对植物VLCFAs延伸机制的认识，也为理解陆生维管植物适应陆地环境的分子演化提供了重要证据。鉴于该协同延伸机制及其关键结构特征在植物中高度保守，研究成果有望指导柑橘等园艺作物果面蜡质的精准调控，为新型天然保鲜涂膜材料研发及果实采后保鲜理论与关键技术创新提供科学依据，对提升园艺产品品质、延长货架期、减少采后失水具有广阔的应用前景。
园艺林学学院博士后汪洋（现为广州健康院博士后）、博士后王海燕为论文的共同第一作者。园艺林学学院程运江教授、中国科学院广州生物医药与健康研究院王茜敏研究员、广州医科大学徐有伟教授为论文的共同通讯作者。华中农业大学邓秀新院士、屈晓璐研究员、朱峰教授、Robert M. Larkin教授以及山东师范大学杨贤鹏副教授为本研究提供了重要指导。上海药物所高峰电镜中心为冷冻电镜数据采集提供了大力支持。华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、中国科学院广州生物医药与健康研究院生物医药研究所公共平台为本研究提供了重要的仪器和技术支撑。本研究得到了国际（地区）合作项目、国家现代农业（柑橘）产业技术体系、洪山实验室基金等项目的资助。
【英文摘要】
Very-long-chain fatty acids (VLCFAs) are essential building blocks for sphingolipids, phospholipids, triacylglycerols, suberin, and cuticular waxes, all of which play crucial roles in plant development and environmental adaptation. The elongation of VLCFAs is governed by plant-specific β-ketoacyl-CoA synthase (KCS) enzymes and ECERIFERUM2 (CER2) family proteins. However, the structural catalytic mechanisms underlying VLCFA elongation remain poorly understood. Here, we present structural snapshots of the KCS6-CER2 complex from the evolutionarily representative land vascular plant Selaginella moellendorffii in multiple elongation reaction states. These structures delineate how the acyl chain of the substrate C22:0 acyl-CoA (behenoyl-CoA), the two-carbon donor malonyl-CoA, and the product C24:0 β-ketoacyl-CoA (3-oxo-lignoceroyl-CoA) sequentially engage the substrate binding channel of the KCS6-CER2 complex on the cytosolic side of the ER membrane. We further identify a previously unrecognized side channel that accommodates an additional acyl-CoA molecule, indicating an unexpected structural feature for VLCFA biosynthesis. In addition, structural and biochemical analyses of the KCS6-CER2 complex reveal that CER2 acts as a structural cofactor, extending the hydrophobic subtrate binding channel of KCS6.Together, these findings uncover the molecular mechanism by which KCS6 and CER2 collaborate to drive chain-length-specific VLCFA elongation and provide a structural framework for understanding and engineering VLCFA elongation across the plant kingdom.
论文链接：
https://www.cell.com/molecular-plant/abstract/S1674-2052(26)00226-1
