Abstract Multifunctional enzyme type 1 (MFE-1) is a monomeric member of the hydratase/isomerase superfamily (H/I) involved in the β-oxidation of fatty acids. MFE-1 has 2-enoyl-CoA hydratase-1, Δ3-Δ2-enoyl-CoA isomerase, and several other enoyl-CoA isomerase activities at the N-terminus. The C-terminus has (3S)-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase activity. MFE-1 can also convert certain hydroxylated C27 bile acid synthesis intermediates. In these studies, a domain assignment of MFE-1 by sequence alignment with the H/I family (domains A and B in MFE-1) and mitochondrial monofunctional 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenases (HAD, domains C, D and E) was proposed. This was further improved with the structural information obtained from the crystal structure of the construct containing domains B, C, D and E (MFE1-DH). The structure of MFE1-DH resembles the bilobal structure of the α-subunit of the bacterial fatty acid metabolising complex and the mammalian HAD enzyme. The N-terminal linker helix of MFE1-DH (domain B) corresponds to helix-10 of the hydratase/isomerase enzymes having residues important for substrate contacts. Domain C adopts the classical Rossmann fold and forms the first lobe of the MFE1-DH structure. The C-terminal domains D and E form the second lobe and have local symmetry between each other. This local symmetry corresponds to the D domain-mediated dimerisation of the HAD dimer. The domain deletion studies showed that the presence of domains D and E, but not domain C, was essential to obtain a functional hydratase 1 enzyme; this can be understood from stabilising contacts from domain E to the linker helix, as seen in the MFE1-DH structure. The structure of human ACBP from liver was determined with and without a physiological ligand. This structure adopts the classical four-helix bundle of the ACBP family. The ligand binding mode seen in the presence of myristoyl-CoA shows that one ligand molecule is bound jointly by the two protein molecules of the asymmetric unit such that the fatty acid tail is bound by one protein molecule, and the 3'-phosphate AMP moiety of the CoA is bound by the other protein molecule, essentially as in known complexed ACBP structures in the monomeric binding mode. The observed ligand binding mode suggests a new model for the ACBP-mediated ligand transfer observed in biochemical in vitro studies. / Tiivistelmä Tyypin 1 monitoiminen entsyymi (MFE-1) on hydrataasi/isomeraasiperheen (H/I) jäsen ja se osallistuu rasvahappojen β-oksidaatioon. MFE-1:n N-päädyssä on 2-enoyyli-CoA-hydrataasi 1- ja Δ3-Δ2-enoyyli-CoA-isomeraasiaktiivisuus sekä useita muita enoyyli-CoA-isomeraasiaktiivisuuksia. C-päädyssä on (3S)-hydroksiasyyli-CoA-dehydrogenaasiaktiivisuus. MFE-1 voi myös katalysoida tiettyjen hydroksyloitujen C27-sappihapposynteesin välituotteiden reaktioita. Tässä tutkimuksessa määritettiin MFE-1:n domeenirakenne H/I-perheen (MFE-1:n domeenit A ja B) ja 3-hydroksiasyyli-CoA-dehydrogenaasiperheen (HAD, domeenit C, D ja E) sekvenssilinjausten perusteella. Rakennetta tarkennettiin domeenit B, C, D ja E sisältävän konstruktin (MFE1-DH) kiderakenteesta saadun tiedon avulla. MFE1-DH:n kiderakenne muistuttaa bakteerien rasvahappoja hajottavan kompleksin α-alayksikön sekä nisäkkäiden HAD-entsyymin kahdesta alayksiköstä muodostuvaa rakennetta. MFE1-DH:n N-päädyn α-kierre vastaa H/I-entsyymien kierre-10:tä, jossa sijaitsee substraattikontaktien kannalta tärkeitä aminohappotähteitä. C-domeeni muodostaa Rossmann-laskoksen ja se on MFE1-DH:n rakenteen ensimmäinen alayksikkö. C-päädyssä sijaitsevat D- ja E-domeenit muodostavat yhdessä toisen alayksikön ja niiden välillä on symmetria, joka vastaa D-domeenien välittämää HAD-entsyymien dimerisaatiota. Domeenitutkimukset osoittivat, että D- ja E-domeenien läsnä olo oli välttämätöntä hydrataasi 1:n toiminnalle, mutta C-domeeni voitiin poistaa ja säilyttää hydrataasi 1 -aktiivisuus. Havainto voitiin selittää MFE1-DH:n rakenteen avulla, jossa nähdään stabiloivia vuorovaikutuksia E-domeenin ja N-päädyn α-kierteen välillä. Ihmisen maksan ACBP:n kiderakenne määritettiin fysiologisen ligandin kanssa sekä ilman ligandia. Tämä rakenne laskostuu ACBP-perheelle tyypilliseksi neljän kierteen nipuksi. Myristoyyli-CoA:n läsnä ollessa havaitussa ligandin sitoutumistavassa yksi ligandimolekyyli on sitoutunut kahden proteiinimolekyylin välille siten, että rasvahappo-osa sitoutuu toiseen proteiinimolekyyliin ja CoA:n 3'-fosfaatti-AMP-osa sitoutuu toiseen proteiinimolekyyliin kuten tunnetuissa monomeerisissä ACBP:n sitomistavoissa. Havaitun sitoutumisen avulla voidaan ehdottaa uutta mallia ACBP:n välittämälle ligandinsiirrolle, joka on havaittu aikaisemmin biokemiallisissa in vitro -tutkimuksissa.

Abstract Coronary heart disease (CHD) is a clinical manifestation of atherosclerosis. It is a major cause of mortality and morbidity both in Finland and globally. Even after the best known treatments a significant residual risk of CHD remains. A low plasma HDL cholesterol level (HDL, high-density lipoprotein) is a common lipid abnormality in patients affected by premature CHD and also a component of the metabolic syndrome, a cluster of risk factors for atherosclerosis associated with central obesity. In this study, a phenotype of low HDL cholesterol level and premature CHD was investigated in two Northern Finnish family populations. The aim was to find new biological factors accounting for the elevated CHD risk in the phenotype. In the subjects of family population I, plasma levels of antibodies (IgG, IgM, IgA) against experimental epitopes (malondialdehyde-acetaldehyde-modified, copper-oxidized) of oxidized LDL (low-density lipoprotein) particles were measured. In the subjects of family population II, capacity of HDL fractions (total HDL, HDL2 and HDL3) to accept cholesterol from a THP-1 experimental foam cell model was assayed (cholesterol efflux). In addition, a phospholipid composition of their HDL fractions (HDL2 and HDL3) was measured using liquid chromatography-mass spectrometry. The antibody levels were not related to CHD or to HDL cholesterol level. Instead, the cholesterol efflux to HDL2 fraction was clearly impaired in CHD, which was associated with the low HDL cholesterol level of the patients. The impaired cholesterol efflux to HDL2 fraction was primarily in conjunction with the metabolic syndrome. The phospholipid composition of HDL fractions was different between the affected and the non-affected subjects. As an example, characteristic of the metabolic syndrome were elevated contents of palmitic, palmitoleic or oleic acids relative to linoleic acid in lysophosphatidylcholines and phosphatidylcholines. In conclusion, the HDL fraction is both functionally and compositionally modified in the phenotype of low HDL cholesterol level and premature CHD. Especially the cholesterol efflux capacity of the HDL2 fraction and thus its many functional properties may be impaired. There are many characteristic features in the phospholipid composition of the HDL in the phenotype which were detected in HDL2 and HDL3 fractions. / Tiivistelmä Sepelvaltimotauti on ateroskleroosin kliininen ilmenemismuoto. Se on merkittävimpiä kuolleisuuden ja sairastavuuden aiheuttajia niin Suomessa kuin maailmalla. Parhaillakin tunnetuilla hoidoilla sepelvaltimotaudille jää huomattava jäännösriski. Plasman matala HDL-kolesterolitaso (HDL, high-density lipoprotein) on yleinen lipidipoikkeavuus varhaista sepelvaltimotautia sairastavilla ja myös eräs metabolisen oireyhtymän, eli keskivartalolihavuuteen liittyvän ateroskleroosin riskitekijäkasauman, komponentti. Tässä väitöskirjassa tutkittiin matalan HDL-kolesterolitason ja varhaisen sepelvaltimotaudin fenotyyppiä kahdessa pohjoissuomalaisessa sukuaineistossa. Tavoitteena oli löytää uusia biologisia tekijöitä fenotyypin kohonneen sepelvatimotautiriskin taustalta. Ensimmäisen aineiston henkilöiden plasmasta mitattiin vasta-ainetasoja (IgG, IgM, IgA) LDL-hiukkasten (LDL, low-density lipoprotein) kokeellisia hapettuneita epitooppeja (malonidialdehydi-asetaldehydi-modioitu ja kuparilla hapetettu LDL) vastaan. Toisessa aineistossa mitattiin henkilöiden HDL-fraktioiden (kokonais-HDL, HDL2 ja HDL3) kykyä saada aikaan kolesterolin ulosvirtausta kokeellisesta THP-1 vaahtosolumallista. Lisäksi heidän HDL-fraktioidensa (HDL2, HDL3) fosfolipidikoostumus mitattiin nestekromatografi-massaspektrometri-laitteistolla. Vasta-ainetasot eivät liittyneet sepelvaltimotautiin tai HDL-kolesterolitasoon. Sen sijaan kolesterolin ulosvirtaus HDL2-fraktioon oli selkeästi alentunut sepelvaltimotaudissa, mikä liittyi potilaiden pieneen HDL-kolesterolipitoisuuteen. Alentunut ulosvirtaus HDL2-fraktioon liittyikin ensisijaisesti metaboliseen oireyhtymään. HDL-fraktioiden fosfolipidikoostumus erosi terveiden ja sairaiden välillä. Esimerkiksi metabolisessa oireryhtymässä tunnusomaista oli lysofosfatidyylikoliinien ja fosfatidyylikoliinien sisältämän palmitiinihapon, palmitoleiinihapon tai oleiinihapon suurentunut määrä suhteessa niiden sisältämän linoleenihapon määrään. Loppupäätelmä on, että matalan HDL-kolesterolitason ja varhaisen sepelvaltimotaudin fenotyypin HDL-fraktio on sekä toiminnaltaan että koostumukseltaan muuntunut. Erityisesti HDL2-fraktion kyky saada aikaan kolesterolin ulosvirtausta ja näin ollen sen monet toiminnalliset ominaisuudet voivat olla alentuneet. Fenotyypin HDL:n fosfolipidikoostumuksessa on monia tunnusomaisia piirteitä, joita havaittiin sekä HDL2- että HDL3-fraktiossa.