物理所揭示細胞外排磷酸鹽機制

　　細胞膜是保持細胞結構和功能完整性的關鍵結構元件。同時，細胞膜阻斷了物質在細胞內外的自由交換。定位于細胞膜中的膜蛋白包括離子通道和轉運蛋白等可以實現物質的跨膜運輸，對細胞的物質、能量和信息的交換至關重要。然而，關于離子通道和轉運蛋白介導的物質跨膜輸運如驅動力、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/北京凝聚態物理國家研究中心軟物質與生物物理實驗室SM10組特聘研究員姜道華致力于物質跨膜運輸的研究，在離子通道蛋白和轉運蛋白介導的物質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出磷酸鹽轉運蛋白XPR1處于不同構象的高分辨率結構，首次揭示了XPR1外排磷酸根離子的門控機制和SPX結構域的調控機制。相關研究成果以Human XPR1 structures reveal phosphate export mechanism為題，發表在《自然》（Nature）上。

　　無機磷酸鹽（Pi）是所有生命體必需的常量營養元素，幾乎參與所有的生物過程，在物質合成、呼吸作用、光合作用、能量轉換、信號傳導等生理過程中發揮重要作用。生物體內磷酸鹽水平受到嚴格調控，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運蛋白，其功能異常會導致人類神經系統疾病原發性家族性腦鈣化和腎范可尼綜合征。XPR1包含一個可溶的SPX結構域和一個跨膜結構域。其中，SPX結構域是一個保守的多磷酸肌醇（InsPP）傳感器。SPX結構域通過監控細胞內InsPP的濃度，調控轉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結構域調控的分子機制仍然未知。

　　該研究解析了XPR1處于關閉、開放和結合肌醇-6磷酸的三種不同構象，首次發現了XPR1二聚體形式。基于結構和功能結果，該研究提出了XPR1門控機制和SPX結構域的調控機制模型。XPR1門控機制主要由TM9b的構象變化介導，磷酸根被靠近細胞內內側的位點一和位于細胞膜中間的位點二識別和結合，通過與W573相互作用，進而引發TM9b構象變化，使XPR1處于打開狀態。而SPX結構域可以通過感受細胞內磷酸肌醇的濃度來調控XPR1外排磷酸根離子的通量。也就是說，當細胞內磷酸根濃度較低時，多磷酸肌醇濃度降低，SPX結構域呈動態構象，XPR1的C-loop結合在位點一附近并降低限制磷酸根進入蛋白磷酸根入口；當細胞內磷酸根濃度升高時，多磷酸肌醇濃度升高，SPX結構域結合多磷酸肌醇并轉換為穩定構象，穩定狀態的SPX結構域與C-loop相互作用，使其遠離磷酸根入口，從而加速Pi的外排。由于磷酸根結合位點、TM9和C-loop以及SPX結構域在酵母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的穩態。

　　研究發現，XPR1的結構類似于轉運蛋白，但采取新穎的類似于通道的門控機制外排磷酸根，不同于大多數轉運蛋白采用的交替開放的轉運機制。同時，該研究首次闡明了SPX結構域通過結合多磷酸肌醇調節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態研究至關重要。

　　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。冷凍電鏡數據收集工作獲得物理所SM10組冷凍電鏡中心與軟物質公共儀器平臺以及北京大學現代農業研究院生物微觀結構研究平臺的技術支持。