ABSTRACT Fatty acyl-AMP ligases (FAALs) channelize fatty acids towards biosynthesis of virulent lipids in mycobacteria and other pharmaceutically or ecologically important polyketides and lipopeptides in other microbes. They do so by bypassing the ubiquitous coenzyme A-dependent activation and rely on the acyl carrier protein-tethered 4’-phosphopantetheine ( holo -ACP). The molecular basis of how FAALs strictly reject chemically identical and abundant acceptors like coenzyme A (CoA) and accept holo -ACP unlike other members of the ANL superfamily remains elusive. We show FAALs have plugged the promiscuous canonical CoA-binding pockets and utilize highly selective alternative binding sites. These alternative pockets can distinguish adenosine 3’, 5’-bisphosphate-containing CoA from holo -ACP and thus FAALs can distinguish between CoA and holo -ACP. These exclusive features helped identify the omnipresence of FAAL-like proteins and their emergence in plants, fungi, and animals with unconventional domain organisations. The universal distribution of FAALs suggests they are parallelly evolved with FACLs for ensuring a CoA-independent activation and redirection of fatty acids towards lipidic metabolites.

Abstract Lipolysis is an essential metabolic process that releases unesterified fatty acids from neutral lipid stores to maintain energy homeostasis in living organisms. Adipose triglyceride lipase (ATGL) plays a key role in intracellular lipolysis and can be co-activated upon interaction with the protein comparative gene identification-58 (CGI-58). The underlying molecular mechanism of ATGL stimulation by CGI-58 is incompletely understood. Based on analysis of evolutionary conservation, we used site directed mutagenesis to study a C-terminally truncated variant and full-length mouse ATGL providing insights in the protein co-activation on a per-residue level. We identified the region from residues N209-N215 in mouse ATGL as essential for co-activation by mouse CGI-58. ATGL variants with amino-acids exchanges in this region were still able to hydrolyze triacylglycerol at the basal level and to interact with CGI-58, yet could not be activated by CGI-58. Our studies also demonstrate that full-length mouse ATGL showed higher tolerance to specific single amino acid exchanges in the N209-N215 region upon CGI-58 co-activation compared to C-terminally truncated ATGL variants. The region is either directly involved in protein-protein interaction or essential for conformational changes required in the co-activation process. Three-dimensional models of the ATGL/CGI-58 complex with the artificial intelligence software AlphaFold demonstrated that a large surface area is involved in the protein-protein interaction. Mapping important amino acids for co-activation of both proteins, ATGL and CGI-58, onto the 3D model of the complex locates these essential amino acids at the predicted ATGL/CGI-58 interface thus strongly corroborating the significance of these residues in CGI-58 mediated co-activation of ATGL.

Abstract Chain-length specific subsets of diacylglycerol (DAG) lipids are proposed to regulate differential physiological responses ranging from signal transduction to modulation of the membrane properties. However, the mechanism or molecular players regulating the subsets of DAG species remains unknown. Here, we uncover the role of a conserved eukaryotic protein family, DISCO-interacting protein 2 (DIP2) as a homeostatic regulator of a chemically distinct subset of DAGs using yeast, fly and mouse models. Genetic and chemical screens along with lipidomics analysis in yeast reveal that DIP2 prevents the toxic accumulation of specific DAGs in the logarithmic growth phase, which otherwise leads to endoplasmic reticulum stress. We also show that the fatty acyl-AMP ligase-like domains of DIP2 are essential for the redirection of the flux of DAG subspecies to storage lipid, triacylglycerols. Such modulation of selective DAG abundance by DIP2 is found to be crucial for optimal vacuole-membrane fusion and consequently osmoadaptation in yeast. Thus, the study illuminates an unprecedented DAG metabolism route and provides new insights on how cell fine-tunes DAG subspecies for cellular homeostasis and environmental adaptation.