無(wú)機(jī)磷酸鹽（Pi）是所有生命體必需的常量營(yíng)養(yǎng)素，幾乎參與所有的生物過(guò)程，在物質(zhì)合成、呼吸作用、光合作用、能量轉(zhuǎn)換、信號(hào)傳導(dǎo)等生理過(guò)程中發(fā)揮不可或缺的作用。生物體內(nèi)磷酸鹽水平受到嚴(yán)格的調(diào)控，磷酸鹽的缺失或過(guò)量會(huì)對(duì)生物體造成重大疾病，包括心功能障礙，佝僂病，骨軟化癥及血管鈣化等。細(xì)胞通過(guò)控制磷酸鹽的攝取和外排來(lái)維持細(xì)胞水平的磷酸穩(wěn)態(tài)。
其中，XPR1是目前哺乳動(dòng)物中唯一被鑒定的磷酸鹽外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其功能異常會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)神經(jīng)系統(tǒng)疾病原發(fā)性家族性腦鈣化和腎范可尼綜合征。XPR1包含一個(gè)可溶的SPX結(jié)構(gòu)域和一個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，其中SPX結(jié)構(gòu)域是一個(gè)保守的多磷酸肌醇（InsPP）傳感器， SPX結(jié)構(gòu)域通過(guò)監(jiān)控細(xì)胞內(nèi)InsPP的濃度，調(diào)控XPR1蛋白外排磷酸鹽的活性。然而，XPR1外排磷酸根以及其活性被SPX結(jié)構(gòu)域調(diào)控的分子機(jī)制仍然未知。
2024年8月21日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心軟物質(zhì)與生物物理實(shí)驗(yàn)室姜道華團(tuán)隊(duì)在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Human XPR1 structures reveal phosphate export mechanism 的研究論文。
該研究利用冷凍電鏡單顆粒技術(shù)重構(gòu)出磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白XPR1處于不同構(gòu)象的高分辨率結(jié)構(gòu)，首次揭示了XPR1外排磷酸根離子的門(mén)控機(jī)制和SPX結(jié)構(gòu)域的調(diào)控機(jī)制。
在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)解析了XPR1結(jié)構(gòu)處于關(guān)閉、開(kāi)放和結(jié)合肌醇-6磷酸的三種不同構(gòu)象，首次發(fā)現(xiàn)XPR1以二聚體形式組裝?；诮Y(jié)構(gòu)和功能結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)提出了XPR1門(mén)控機(jī)制和SPX結(jié)構(gòu)域的調(diào)控機(jī)制模型。
在XPR1跨膜結(jié)構(gòu)域中包含三個(gè)由正電氨基酸形成的結(jié)合位點(diǎn)，磷酸根通過(guò)靜電相互作用被這三個(gè)位點(diǎn)識(shí)別和結(jié)合。XPR1門(mén)控機(jī)制主要由TM9b的構(gòu)象變化介導(dǎo)，當(dāng)磷酸根結(jié)合于位于細(xì)胞膜中間的位點(diǎn)二時(shí)，通過(guò)與W573相互作用，引發(fā)TM9b構(gòu)象變化，使XPR1處于打開(kāi)狀態(tài)，形成一個(gè)貫通細(xì)胞膜的磷酸根通道（圖1）。而SPX結(jié)構(gòu)域可以通過(guò)感受細(xì)胞內(nèi)磷酸肌醇的濃度來(lái)調(diào)控XPR1外排磷酸根離子的通量：當(dāng)細(xì)胞內(nèi)磷酸根濃度較低時(shí)，多磷酸肌醇濃度降低，SPX結(jié)構(gòu)域呈動(dòng)態(tài)構(gòu)象，XPR1的C-loop結(jié)合在位點(diǎn)一附近并限制磷酸根進(jìn)入蛋白通道入口；當(dāng)細(xì)胞內(nèi)磷酸根濃度升高時(shí)，多磷酸肌醇濃度升高，SPX結(jié)構(gòu)域結(jié)合多磷酸肌醇并轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定構(gòu)象，穩(wěn)定狀態(tài)的SPX結(jié)構(gòu)域與C-loop相互作用，使其遠(yuǎn)離磷酸根入口，從而促進(jìn)磷酸根的外排 （圖2）。由于磷酸根結(jié)合位點(diǎn)，TM9和C-loop，以及SPX結(jié)構(gòu)域在酵母SYG1，植物PHO1和其他動(dòng)物中的XPR1中高度保守，因此，研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)這些蛋白應(yīng)該采用類(lèi)似的機(jī)制來(lái)維持磷酸根的穩(wěn)態(tài)。
圖1：XPR1不同構(gòu)象的結(jié)構(gòu)
圖2：XPR1磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)機(jī)制模型
該研究發(fā)現(xiàn)了XPR1的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，但是采取一種新穎的類(lèi)似于通道蛋白的門(mén)控機(jī)制外排磷酸根，顯著不同于絕大多數(shù)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白采用的交替開(kāi)放的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。此外，該研究首次闡明了SPX結(jié)構(gòu)域通過(guò)結(jié)合多磷酸肌醇調(diào)節(jié)XPR1的通量，提出多磷酸肌醇感知和磷酸根輸出之間的耦合機(jī)制，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)人體磷酸根穩(wěn)態(tài)的研究至關(guān)重要。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所姜道華特聘研究員為論文通訊作者。華中科技大學(xué)與物理所聯(lián)合培養(yǎng)博士生顏芮、物理所博士后陳慧文、物理所博士生劉傳宇及北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院趙珺為論文共同第一作者。此外，物理所博士生武迪也為本研究提供了幫助。該研究得到國(guó)家基金委和中國(guó)科學(xué)院的資助。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集得到中國(guó)科學(xué)院物理研究所冷凍電鏡中心及軟物質(zhì)公共儀器平臺(tái)和北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院生物微觀結(jié)構(gòu)研究平臺(tái)的技術(shù)支持。
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