来源：丁香学术
无机磷酸盐（Pi）是所有生命体必需的常量营养素，几乎参与所有的生物过程，在物质合成、呼吸作用、光合作用、能量转换、信号传导等生理过程中发挥不可或缺的作用。生物体内磷酸盐水平受到严格的调控，磷酸盐的缺失或过量会对生物体造成重大疾病，包括心功能障碍，佝偻病，骨软化症及血管钙化等。细胞通过控制磷酸盐的摄取和外排来维持细胞水平的磷酸稳态。
其中，XPR1 是目前哺乳动物中唯一被鉴定的磷酸盐外排转运蛋白，其功能异常会导致人类神经系统疾病原发性家族性脑钙化和肾范可尼综合征。XPR1 包含一个可溶的 SPX 结构域和一个跨膜结构域，其中 SPX 结构域是一个保守的多磷酸肌醇（InsPP）传感器， SPX 结构域通过监控细胞内 InsPP 的浓度，调控 XPR1 蛋白外排磷酸盐的活性。然而，XPR1 外排磷酸根以及其活性被 SPX 结构域调控的分子机制仍然未知。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质与生物物理实验室姜道华特聘研究员长期从事于物质跨膜运输的研究，近年来在离子通道蛋白 [Cell, 184 (2021); NSMB 29, (2022); Nat. Commun. 1030, (2023); Nat. Commun. 1286, (2022); Nat. Commun. 1286, (2713); Nat. Chem. Biol. 19, (2023); Cell Reports 42, (2023); Cell Reports 37, (2021)] 和转运蛋白 [Nature 626, (2024); Cell Research 34, (2024); NSMB 31, (2024)] 介导的物质跨膜运输方面取得进展。
2024 年 8 月 21 日，姜道华研究组利用冷冻电镜单颗粒技术重构出磷酸盐转运蛋白 XPR1 处于不同构象的高分辨率结构，首次揭示了 XPR1 外排磷酸根离子的门控机制和 SPX 结构域的调控机制。该研究成果以「Human XPR1 structures reveal phosphate export mechanism」为题在国际学术期刊《自然》(Nature) 发表。
在这项研究中，作者解析了 XPR1 结构处于关闭，开放和结合肌醇-6 磷酸的三种不同构象，首次发现 XPR1 二聚体形式。基于结构和功能结果，作者提出了 XPR1 门控机制和 SPX 结构域的调控机制模型。在 XPR1 跨膜结构域中包含三个由正点氨基酸形成的结合位点，磷酸根通过静电相互作用被这三个位点识别和结合。XPR1 门控机制主要由 TM9b 的构象变化介导，当磷酸根结合于位于细胞膜中间的位点二时，通过与 W573 相互作用，引发 TM9b 构象变化，使 XPR1 处于打开状态，形成一个贯通细胞膜的磷酸根通道（图一）。
图一 XPR1 不同构象的结构
而 SPX 结构域可以通过感受细胞内磷酸肌醇的浓度来调控 XPR1 外排磷酸根离子的通量：当细胞内磷酸根浓度较低时，多磷酸肌醇浓度降低，SPX 结构域呈动态构象，XPR1 的 C-loop 结合在位点一附近并限制磷酸根进入蛋白磷酸根入口；当细胞内磷酸根浓度升高时，多磷酸肌醇浓度升高，SPX 结构域结合多磷酸肌醇并转换为稳定构象，稳定状态的 SPX 结构域与 C-loop 相互作用，使其远离磷酸根入口，从而促进磷酸根的外排（图二）。
图二 XPR1 磷酸盐转运调节机制模型
由于磷酸根结合位点，TM9 和 C-loop，以及 SPX 结构域在酵母 SYG1，植物 PHO1 和其他动物中的 XPR1 中高度保守，因此，作者推测这些蛋白应该采用类似的机制来维持磷酸根的稳态。
该研究发现了 XPR1 的结构类似于转运蛋白，但是采取一种新颖的类似于通道蛋白的门控机制外排磷酸根，显著不同于绝大多数转运蛋白采用的交替开放的转运机制。此外，该研究首次阐明了 SPX 结构域通过结合多磷酸肌醇调节 XPR1 的通量，提出多磷酸肌醇感知和磷酸跟输出之间的耦合机制，这些对人体磷酸根稳态的研究至关重要。
中国科学院物理研究所姜道华特聘研究员为本研究唯一通讯作者。华中科技大学与物理所联合培养博士生颜芮、物理所博士后陈慧文、物理所博士生刘传宇及北京大学现代农业研究院赵珺为本文共同第一作者。此外，物理所博士生武迪也为本研究提供了帮助。
本研究得到国家基金委和中国科学院的资助。冷冻电镜数据收集得到中国科学院物理研究所冷冻电镜中心及软物质公共仪器平台和北京大学现代农业研究院生物微观结构研究平台的技术支持。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07852-9
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图片来源：图虫创意
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