細胞膜是保持細胞結(jié)構(gòu)和功能完整性的關鍵結(jié)構(gòu)元件。同時，細胞膜阻斷了物質(zhì)在細胞內(nèi)外的自由交換。定位于細胞膜中的膜蛋白包括離子通道和轉(zhuǎn)運蛋白等可以實現(xiàn)物質(zhì)的跨膜運輸，對細胞的物質(zhì)、能量和信息的交換至關重要。然而，關于離子通道和轉(zhuǎn)運蛋白介導的物質(zhì)跨膜輸運如驅(qū)動力、選擇性和動力學過程等關鍵問題有待研究。

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SM10組特聘研究員姜道華致力于物質(zhì)跨膜運輸?shù)难芯浚陔x子通道蛋白和轉(zhuǎn)運蛋白介導的物質(zhì)跨膜運輸方面取得進展。

8月21日，該團隊通過冷凍電鏡單顆粒技術重構(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。相關研究成果以Human XPR1 structures reveal phosphate export mechanism為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上。

無機磷酸鹽（Pi）是所有生命體必需的常量營養(yǎng)元素，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)揮重要作用。生物體內(nèi)磷酸鹽水平受到嚴格調(diào)控，而磷酸鹽的缺失或過量會對生物體造成疾病，如心功能障礙、佝僂病、骨軟化癥及血管鈣化等。XPR1是目前人體中唯一已知的磷酸鹽外排轉(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)控轉(zhuǎn)運蛋白外排磷酸鹽的活性。然而，XPR1外排磷酸根及其活性被SPX結(jié)構(gòu)域調(diào)控的分子機制仍然未知。

該研究解析了XPR1處于關閉、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)了XPR1二聚體形式。基于結(jié)構(gòu)和功能結(jié)果，該研究提出了XPR1門控機制和SPX結(jié)構(gòu)域的調(diào)控機制模型。XPR1門控機制主要由TM9b的構(gòu)象變化介導，磷酸根被靠近細胞內(nèi)內(nèi)側(cè)的位點一和位于細胞膜中間的位點二識別和結(jié)合，通過與W573相互作用，進而引發(fā)TM9b構(gòu)象變化，使XPR1處于打開狀態(tài)。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。也就是說，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)合在位點一附近并降低限制磷酸根進入蛋白磷酸根入口；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，從而加速Pi的外排。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，因而研究推測這些蛋白應是采用類似的機制來維持Pi的穩(wěn)態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)，XPR1的結(jié)構(gòu)類似于轉(zhuǎn)運蛋白，但采取新穎的類似于通道的門控機制外排磷酸根，不同于大多數(shù)轉(zhuǎn)運蛋白采用的交替開放的轉(zhuǎn)運機制。同時，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，提出了多磷酸肌醇感知和磷酸跟輸出之間的耦合機制。上述成果對人體磷酸根穩(wěn)態(tài)研究至關重要。

研究工作得到國家自然科學基金委員會和中國科學院的支持。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集工作獲得物理所SM10組冷凍電鏡中心與軟物質(zhì)公共儀器平臺以及北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院生物微觀結(jié)構(gòu)研究平臺的技術支持。

論文鏈接

XPR1磷酸鹽轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié)機制模型