9月26日,，上海精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院,、附屬九院骨科曹禹研究員團(tuán)隊(duì),、中國藥科大學(xué)于燁課題組聯(lián)合在《科學(xué)》(Science)以“First Release”的形式提前在線發(fā)表了研究論文“Structural basis for inositol pyrophosphate gating of the phosphate channel XPR1（磷酸通道XPR1受肌醇焦磷酸門控的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)）”,，揭示了焦磷酸肌醇如何調(diào)節(jié)XPR1開放并進(jìn)行磷酸外排的分子機(jī)制。
磷酸是生物體內(nèi)最具功能多樣性的陰離子基團(tuán),，不僅是多種生物分子的重要組成部分,，還參與多種生化反應(yīng)，并以其特征性的多電荷可逆修飾能力,，成為多種生物學(xué)信號(hào)的攜帶者,。除作為核酸、磷脂以及能量分子的組成而存在之外,，無機(jī)磷的主要存在形式包括構(gòu)成骨骼主要部分的羥基磷灰石,、游離磷酸根或焦磷酸。游離磷酸根是最重要的磷酸存在形式之一,，一方面其作為能量代謝,、信使分子合成、蛋白磷酸化等生物通路的前體分子必須維持一定水平,，另一方面,，過高的磷酸根濃度不僅對(duì)正常的生化反應(yīng)造成了干擾，還因其易與鈣,、鐵等多價(jià)態(tài)金屬離子形成沉淀的原因威脅著人體的健康,。為維持細(xì)胞內(nèi)磷酸水平的穩(wěn)定,，生命在進(jìn)化過程中形成了多種細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來負(fù)責(zé)磷酸的攝取和排放。在高等生物特別是人類中,，盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種負(fù)責(zé)磷酸內(nèi)向運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)運(yùn)體蛋白,，包括SLC20A、SLC34以及線粒體上的SLC25家族,，能夠發(fā)揮磷酸外向運(yùn)輸?shù)哪さ鞍啄壳皟H僅發(fā)現(xiàn)一種,，即XPR1。
XPR1又稱SLC53A1,，已有的遺傳學(xué)和生化研究表明,，該蛋白主要負(fù)責(zé)在細(xì)胞內(nèi)磷酸過載的情況下向外釋放磷酸，這一釋放過程受到焦磷酸肌醇的激活,，該分子在細(xì)胞內(nèi)磷酸水平異常升高時(shí)后大量產(chǎn)生,，被視作為磷酸穩(wěn)態(tài)失衡的信號(hào)分子。XPR1功能受損的情況下將導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)磷酸的積累,，從而影響細(xì)胞功能（例如引發(fā)破骨細(xì)胞功能受損）并引起磷酸鹽的析出積累，最終導(dǎo)致多組織器官出現(xiàn)鈣化,。腦鈣化癥是由于磷酸鈣在腦部積累引發(fā)的神經(jīng)性疾病,，有證據(jù)表明XPR1突變?cè)斐傻牧姿嵬馀攀軗p將引起星形膠質(zhì)細(xì)胞向血液釋放磷酸能力不足，從而導(dǎo)致腦脊液中磷酸異常積累,，最終產(chǎn)生磷酸鈣沉淀而引發(fā)病變,。
XPR1在細(xì)胞中維持磷穩(wěn)態(tài)平衡的作用使之成為磷酸代謝研究與鈣化疾病探索的目標(biāo)。然而,，其結(jié)構(gòu)信息的缺乏使得人們難以理解其行使功能的分子細(xì)節(jié),，特別是其如何受到焦磷酸肌醇的激活而進(jìn)行磷酸外排的調(diào)控機(jī)制。
該論文的結(jié)果顯示,，XPR1是由負(fù)責(zé)磷酸運(yùn)輸?shù)牧姿嵬ǖ啦糠趾拓?fù)責(zé)焦磷酸肌醇識(shí)別的信號(hào)感受器部分構(gòu)成的生物大分子機(jī)器：十跨膜螺旋構(gòu)成的跨膜結(jié)構(gòu)域（TMD）包圍形成了一個(gè)可供磷酸分子穿越細(xì)胞膜的孔道,，這一孔道受到色氨酸573的禁控，隨著色氨酸573的旋轉(zhuǎn)移位而開放或關(guān)閉,；細(xì)胞內(nèi)的可溶區(qū)SPX結(jié)構(gòu)域則形成了焦磷酸肌醇感受器結(jié)構(gòu),，用于結(jié)合焦磷酸肌醇并控制TMD的構(gòu)象變化。然而,，出乎意料的是,，該研究論文發(fā)現(xiàn)XPR1同時(shí)存在兩個(gè)焦磷酸肌醇結(jié)合位點(diǎn)：第一結(jié)合位點(diǎn)位于SPX感受器之間，這一位點(diǎn)可以結(jié)合焦磷酸肌醇或磷酸肌醇,，并通過結(jié)合焦磷酸肌醇或磷酸肌醇發(fā)生SPX之間的二聚化,，穩(wěn)定TMD的構(gòu)象使之易于開放；第二結(jié)合位點(diǎn)則位于SPX與TMD之間,，這一位點(diǎn)的特點(diǎn)是空間較大,，兩側(cè)相距較遠(yuǎn)的正電荷基團(tuán)使之難于捕獲較小的磷酸肌醇分子，只有因?yàn)榻沽姿峄叨容^大的焦磷酸肌醇才能適配這一“空曠”口袋并與之結(jié)合。這一對(duì)焦磷酸具有偏好性的第二位點(diǎn)的發(fā)現(xiàn),，解決了此前科學(xué)家的疑惑,，即與磷酸肌醇相比，XPR1為何對(duì)于焦磷酸肌醇更為敏感,，更容易被激活,。
圖1：人類XPR1的冷凍電鏡密度圖和分子模型。
除解析了XPR1識(shí)別焦磷酸的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之外,，本研究還通過電生理的方法,，首次表明XPR1實(shí)際上是作為磷酸通道發(fā)揮生物學(xué)作用，并非此前認(rèn)定的轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白,。結(jié)合結(jié)構(gòu)生物學(xué)與功能生物學(xué)的研究結(jié)果,，本論文提出XPR1是一個(gè)焦磷酸肌醇門控的磷酸通道，是細(xì)胞用于感知磷酸代謝信號(hào)并做出磷酸外排應(yīng)答的雙功能分子機(jī)器,。這一研究為人們理解磷酸代謝與磷酸穩(wěn)態(tài)維持的細(xì)胞生物學(xué)機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),，并為探索相關(guān)鈣化疾病的分子病理提供的指導(dǎo)與見解。
圖2：XPR1通道的開放與關(guān)閉
上海精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院,、附屬第九人民醫(yī)院骨科的曹禹研究員與中國藥科大學(xué)的于燁教授為該論文的共同通訊作者,。附屬第九人民醫(yī)院的博士生魯毅、中國藥科大學(xué)的博士生岳晨茜,、上海精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院的畢業(yè)生張麗博士（現(xiàn)為美國西南醫(yī)學(xué)中心博士后研究員）以及附屬仁濟(jì)醫(yī)院的姚德強(qiáng)副研究員為該論文的共同第一作者,。本研究中的冷凍電鏡數(shù)據(jù)的采集與加工分析均在本院電鏡中心進(jìn)行。功能實(shí)驗(yàn)主要在本院生物成像平臺(tái),、蛋白質(zhì)平臺(tái)與組學(xué)平臺(tái)完成,。本論文研究的完成獲得了國家自然科學(xué)基金、上海市教委“IV類高峰”項(xiàng)目,、上海高水平地方高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與上海市運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)退變與再生前沿科學(xué)基地的支持,。
