Abstract Cells remodel glycerophospholipid acyl chains via the Lands cycle to adjust membrane properties. Membrane-bound O -acyltransferase (MBOAT) 7 acylates lyso-phosphatidylinositol (lyso-PI) with arachidonyl-CoA. MBOAT7 mutations cause brain developmental disorders, and reduced expression is linked to fatty liver disease. Further, increased MBOAT7 expression is linked to hepatocellular and renal cancers. The mechanistic basis of MBOAT7 catalysis and substrate selectivity are unknown. Here, we report the structure and a model for the catalytic mechanism of human MBOAT7. Arachidonyl-CoA and lyso-PI access the catalytic center through a twisted tunnel from the cytosol and lumenal sides, respectively. N-Terminal residues on the ER lumenal side determine phospholipid headgroup selectivity: swapping them between MBOATs 1, 5, and 7 converts enzyme specificity for different lyso-phospholipids. Finally, the MBOAT7 structure and virtual screening enabled identification of small-molecule inhibitors that may serve as lead compounds for pharmacologic development.

ABSTRACT Lipid droplets (LDs) are neutral lipid storage organelles surrounded by a phospholipid (PL) monolayer. LD biogenesis from the endoplasmic reticulum (ER) is driven by phase separation of neutral lipids, overcoming surface tension and membrane deformation. However, the core biophysics of the initial steps of LD formation remain relatively poorly understood. Here, we use a tunable, phenomenological coarse-grained (CG) model to study triacylglycerol (TG) nucleation in a bilayer membrane. We show that PL rigidity has a strong influence on TG lensing and membrane remodeling: When membrane rigidity increases, TG clusters remain more planar with high anisotropy but a minor degree of phase nucleation. This finding is confirmed by free energy sampling simulations that calculate the potential of mean force (PMF) as a function of the degree of nucleation and anisotropy. We also show that asymmetric tension, controlled by the number of PLs on each membrane leaflet, determines the budding direction. A TG lens buds in the direction of the monolayer containing excess PLs to allow for better PL coverage of TG, consistent with reported experiments. Finally, two governing mechanisms of the LD growth, Ostwald ripening and merging, are observed. Taken together, this study characterizes the interplay between two thermodynamic quantities during the initial LD phases, the TG bulk free energy and membrane remodeling energy.

ABSTRACT Lipid droplets (LDs) are organelles formed in the endoplasmic reticulum (ER) to store triacylglycerol (TG) and sterol esters. The ER protein seipin is key for LD biogenesis. Seipin forms a cage-like structure, with each seipin monomer containing a conserved hydrophobic helix (HH) and two transmembrane (TM) segments. How the different parts of seipin function in TG nucleation and LD budding is poorly understood. Here, we utilized molecular dynamics simulations of human seipin, along with cell-based experiments, to study seipin’s functions in protein-lipid interactions, lipid diffusion, and LD maturation. All-atom (AA) simulations indicate that most seipin TM segment residues located in the phospholipid (PL) tail region of the bilayer attract TG. We also find seipin TM segments control lipid diffusion and permeation into the protein complex. Simulating larger, growing LDs with coarse-grained (CG) models, we find that the seipin TM segments form a constricted neck structure to facilitate conversion of a flat oil lens into a budding LD. Using cell experiments and simulations, we also show that conserved, positively charged residues at the end of seipin’s TM segments affect LD maturation. We propose a model in which seipin TM segments critically function in TG nucleation and LD growth.

I present a powerful and flexible backmapping tool named Multiscale Simulation Tool (mstool) that converts a coarse-grained (CG) system into all-atom (AA) resolution and only requires AA to CG mapping and isomeric information (cis/trans/dihedral/chiral). The backmapping procedure includes two simple steps: a) AA atoms are randomly placed near the corresponding CG beads according to the provided mapping scheme. b) Energy minimization is performed with two modifications in the AA force field (FF). First, nonbonded interactions are replaced with cosine functions to ensure numerical stability. Second, additional torsions are imposed to maintain molecules9 isomeric properties. To test the simplicity and robustness of the tool, I backmapped multiple membrane and protein CG structures into AA resolution, including a four-bead CG lipid model (resolution increased by a factor of 34) without using intermediate resolution. The tool is freely available at github.com/ksy141/mstool.

ABSTRACT Lipid droplets (LDs) are neutral lipid storing organelles surrounded by a phospholipid (PL) monolayer. At present, how LDs are formed in the endoplasmic reticulum (ER) bilayer is poorly understood. In this study, we present a revised all-atom (AA) triolein (TG) model, the main constituent of the LD core, and characterize its properties in a bilayer membrane to demonstrate the implications of its behavior in LD biogenesis. In bilayer simulations, TG resides at the surface, adopting PL-like conformations (denoted in this work as SURF-TG). Free energy sampling simulation results estimate the barrier for TG relocating from the bilayer surface to the bilayer center to be ∼2 kcal/mol in the absence of an oil lens. SURF-TG is able to modulate membrane properties by increasing PL ordering, decreasing bending modulus, and creating local negative curvature. The other neutral lipid, dioleoyl-glycerol (DAG), also reduces the membrane bending modulus and populates the negative curvature regions. A phenomenological coarse-grained (CG) model is also developed to observe larger scale SURF-TG-mediated membrane deformation. The CG simulations confirm that TG nucleates between the bilayer leaflets at a critical concentration when SURF-TG is evenly distributed. However, when one monolayer contains more SURF-TG, the membrane bends toward the other leaflet, followed by TG nucleation if a concentration is higher than the critical threshold. The central conclusion of this study is that SURF-TG is a negative curvature inducer, as well as a membrane modulator. To this end, a model is proposed in which the accumulation of SURF-TG in the luminal leaflet bends the ER bilayer toward the cytosolic side, followed by TG nucleation.