無機磷酸鹽（Pi）是所有生命體必需的常量營養(yǎng)素，幾乎參與所有的生物過程，在物質(zhì)合成、呼吸作用、光合作用、能量轉(zhuǎn)換、信號傳導等生理過程中發(fā)揮不可或缺的作用。生物體內(nèi)磷酸鹽水平受到嚴格的調(diào)控，磷酸鹽的缺失或過量會對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。細胞通過控制磷酸鹽的攝取和外排來維持細胞水平的磷酸穩(wěn)態(tài)。
其中，XPR1是目前哺乳動物中唯一被鑒定的磷酸鹽外排轉(zhuǎn)運蛋白，其功能異常會導致人類神經(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包含一個可溶的SPX結(jié)構(gòu)域和一個跨膜結(jié)構(gòu)域，其中SPX結(jié)構(gòu)域是一個保守的多磷酸肌醇（InsPP）傳感器， SPX結(jié)構(gòu)域通過監(jiān)控細胞內(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)控的分子機制仍然未知。
2024年8月21日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心軟物質(zhì)與生物物理實驗室姜道華團隊在 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控機制和SPX結(jié)構(gòu)域的調(diào)控機制。
在這項研究中，研究團隊解析了XPR1結(jié)構(gòu)處于關(guān)閉、開放和結(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，研究團隊提出了XPR1門控機制和SPX結(jié)構(gòu)域的調(diào)控機制模型。
在XPR1跨膜結(jié)構(gòu)域中包含三個由正電氨基酸形成的結(jié)合位點，磷酸根通過靜電相互作用被這三個位點識別和結(jié)合。XPR1門控機制主要由TM9b的構(gòu)象變化介導，當磷酸根結(jié)合于位于細胞膜中間的位點二時，通過與W573相互作用，引發(fā)TM9b構(gòu)象變化，使XPR1處于打開狀態(tài)，形成一個貫通細胞膜的磷酸根通道（圖1）。而SPX結(jié)構(gòu)域可以通過感受細胞內(nèi)磷酸肌醇的濃度來調(diào)控XPR1外排磷酸根離子的通量：當細胞內(nèi)磷酸根濃度較低時，多磷酸肌醇濃度降低，SPX結(jié)構(gòu)域呈動態(tài)構(gòu)象，XPR1的C-loop結(jié)合在位點一附近并限制磷酸根進入蛋白通道入口；當細胞內(nèi)磷酸根濃度升高時，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，使其遠離磷酸根入口，從而促進磷酸根的外排 （圖2）。由于磷酸根結(jié)合位點，TM9和C-loop，以及SPX結(jié)構(gòu)域在酵母SYG1，植物PHO1和其他動物中的XPR1中高度保守，因此，研究團隊推測這些蛋白應(yīng)該采用類似的機制來維持磷酸根的穩(wěn)態(tài)。
圖1：XPR1不同構(gòu)象的結(jié)構(gòu)
圖2：XPR1磷酸鹽轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié)機制模型
該研究發(fā)現(xiàn)了XPR1的結(jié)構(gòu)類似于轉(zhuǎn)運蛋白，但是采取一種新穎的類似于通道蛋白的門控機制外排磷酸根，顯著不同于絕大多數(shù)轉(zhuǎn)運蛋白采用的交替開放的轉(zhuǎn)運機制。此外，該研究首次闡明了SPX結(jié)構(gòu)域通過結(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制，這些發(fā)現(xiàn)對人體磷酸根穩(wěn)態(tài)的研究至關(guān)重要。
中國科學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。該研究得到國家基金委和中國科學院的資助。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集得到中國科學院物理研究所冷凍電鏡中心及軟物質(zhì)公共儀器平臺和北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院生物微觀結(jié)構(gòu)研究平臺的技術(shù)支持。
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