Structural insights into enzymatic mechanisms in the biosynthetic pathway of phosphatidylethanolamine

Abstract

Phospholipids are essential components of cellular membranes, playing critical roles in maintaining membrane integrity, mediating signal transduction, and regulating homeostasis. This thesis investigates conserved and divergent features of phospholipid biosynthesis across prokaryotic and eukaryotic systems, with a focus on two key enzymes. The introduction outlines the fundamental roles of phospholipids and summarizes membrane- associated biosynthetic pathways in bacteria and mammals, highlighting distinct regulatory strategies. Chapter I focuses on Escherichia coli phosphatidylserine synthase (PssA), which catalyzes the formation of phosphatidylserine from CDP-diacylglycerol and L-serine. Crystal structures of PssA in substrate- free and substrate-bound states uncover the molecular basis for substrate recognition and covalent intermediate formation. Sedimentation velocity experiments show that cytosolic PssA exists in a monomer-dimer equilibrium, with only the monomer capable of membrane association, suggesting an oligomerization-dependent regulatory mechanism. Chapter II presents the cryo-electron microscopy structure of mouse PCYT2α and β, the rate-limiting enzyme in the Kennedy pathway for phosphatidylethanolamine synthesis. PCYT2 forms a symmetric homodimer, with the N-terminal cytidylyltransferase (CT) domain mediating catalysis via a conserved HXGH motif, while the C-terminal CMP-binding domain likely plays a non-catalytic structural or regulatory role. Mutational and kinetic analyses support this functional asymmetry. Together, these studies reveal both shared and distinct features of phospholipid biosynthetic enzymes in bacteria and mammals, improve our understanding of lipid metabolism, and provide structural information that may help guide the development of antibiotics and treatments for metabolic diseases.|인지질은 세포막의 필수 구성 요소로, 막의 구조적 안정성 유지, 신호 전달 조절, 항상성 유지 등 다양한 생물학적 기능을 수행한다. 본 학위논문에서는 원핵생물과 진핵생물에서의 인지질 생합성 경로의 보존된 특징과 상이한 조절 메커니즘을 비교 분석하였으며, 이 과정에서 핵심적인 역할을 하는 두 효소를 중심으로 구조 및 기능을 규명하였다. 서론에서는 인지질의 기본적인 역할을 서술하고, 세균과 포유류에서의 막 관련 인지질 생합성 경로를 요약하였다. 이를 통해 각 생물 군에서 채택한 상이한 조절 전략을 강조하였다. 제 1 장은 Escherichia coli 의 phosphatidylserine synthase (PssA)를 다룬다. PssA 는 CDPdiacylglycerol 과 L-serine 을 기질로 하여 phosphatidylserine 을 합성하는 효소이다. 기질이 결합되지 않은 상태와 결합된 상태의 결정 구조를 통해, 기질 인식 및 공유 중간체 형성에 관여하는 분자적 기전을 규명하였다. 침강 속도 분석 결과, 세포질 내 PssA 는 단량체와 이량체 사이의 평형 상태에 있으며, 막 결합 능력은 단량체에만 존재함을 확인하였다. 이는 효소의 올리고머화 상태에 따른 조절 메커니즘이 존재함을 시사한다. 제 2 장에서는 phosphatidylethanolamine 생합성 경로(Kennedy 경로)의 속도 결정 효소인 생쥐 유래 PCYT2α 및 β의 단일입자 초저온 전자현미경 구조를 제시한다. PCYT2는 대칭적인 이량체를 형성하며, N-말단의 cytidylyltransferase(CT) 도메인이 보존된 HXGH 모티프를 통해 촉매 활성을 수행하고, C-말단 CMP 결합 도메인은 구조적 또는 조절적 역할을 수행하는 것으로 추정된다. 돌연변이 분석 및 효소 반응 속도 측정을 통해 이러한 도메인 간 기능 비대칭성이 뒷받침되었다. 이와 같은 연구 결과는 박테리아와 포유류 인지질 생합성 효소 간의 공통점과 차이점을 규명하며, 지질 대사에 대한 이해를 심화시키고, 항생제 및 대사 질환 치료제 개발을 위한 구조 기반 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.