2024年9月26日，上海精准医学研究院、附属九院骨科曹禹研究员团队、中国药科大学于烨课题组联合在《科学》（Science）以“First Release”的形式提前在线发表了研究论文“Structural basis for inositol pyrophosphate gating of the phosphate channel XPR1（磷酸通道XPR1受肌醇焦磷酸门控的结构基础）”，揭示了焦磷酸肌醇如何调节XPR1开放并进行磷酸外排的分子机制。

磷酸是生物体内最具功能多样性的阴离子基团，不仅是多种生物分子的重要组成部分，还参与多种生化反应，并以其特征性的多电荷可逆修饰能力，成为多种生物学信号的携带者。除作为核酸、磷脂以及能量分子的组成而存在之外，无机磷的主要存在形式包括构成骨骼主要部分的羟基磷灰石、游离磷酸根或焦磷酸。游离磷酸根是最重要的磷酸存在形式之一，一方面其作为能量代谢、信使分子合成、蛋白磷酸化等生物通路的前体分子必须维持一定水平，另一方面，过高的磷酸根浓度不仅对正常的生化反应造成了干扰，还因其易与钙、铁等多价态金属离子形成沉淀的原因威胁着人体的健康。为维持细胞内磷酸水平的稳定，生命在进化过程中形成了多种细胞膜上的转运蛋白来负责磷酸的摄取和排放。在高等生物特别是人类中，尽管已经发现了多种负责磷酸内向运输的转运体蛋白，包括SLC20A、SLC34以及线粒体上的SLC25家族，能够发挥磷酸外向运输的膜蛋白目前仅仅发现一种，即XPR1。

XPR1又称SLC53A1，已有的遗传学和生化研究表明，该蛋白主要负责在细胞内磷酸过载的情况下向外释放磷酸，这一释放过程受到焦磷酸肌醇的激活，该分子在细胞内磷酸水平异常升高时后大量产生，被视作为磷酸稳态失衡的信号分子。XPR1功能受损的情况下将导致细胞内磷酸的积累，从而影响细胞功能（例如引发破骨细胞功能受损）并引起磷酸盐的析出积累，最终导致多组织器官出现钙化。脑钙化症是由于磷酸钙在脑部积累引发的神经性疾病，有证据表明XPR1突变造成的磷酸外排受损将引起星形胶质细胞向血液释放磷酸能力不足，从而导致脑脊液中磷酸异常积累，最终产生磷酸钙沉淀而引发病变。

XPR1在细胞中维持磷稳态平衡的作用使之成为磷酸代谢研究与钙化疾病探索的目标。然而，其结构信息的缺乏使得人们难以理解其行使功能的分子细节，特别是其如何受到焦磷酸肌醇的激活而进行磷酸外排的调控机制。

该论文的结果显示，XPR1是由负责磷酸运输的磷酸通道部分和负责焦磷酸肌醇识别的信号感受器部分构成的生物大分子机器：十跨膜螺旋构成的跨膜结构域（TMD）包围形成了一个可供磷酸分子穿越细胞膜的孔道，这一孔道受到色氨酸573的禁控，随着色氨酸573的旋转移位而开放或关闭；细胞内的可溶区SPX结构域则形成了焦磷酸肌醇感受器结构，用于结合焦磷酸肌醇并控制TMD的构象变化。然而，出乎意料的是，该研究论文发现XPR1同时存在两个焦磷酸肌醇结合位点：第一结合位点位于SPX感受器之间，这一位点可以结合焦磷酸肌醇或磷酸肌醇，并通过结合焦磷酸肌醇或磷酸肌醇发生SPX之间的二聚化，稳定TMD的构象使之易于开放；第二结合位点则位于SPX与TMD之间，这一位点的特点是空间较大，两侧相距较远的正电荷基团使之难于捕获较小的磷酸肌醇分子，只有因为焦磷酸化而尺度较大的焦磷酸肌醇才能适配这一“空旷”口袋并与之结合。这一对焦磷酸具有偏好性的第二位点的发现，解决了此前科学家的疑惑，即与磷酸肌醇相比，XPR1为何对于焦磷酸肌醇更为敏感，更容易被激活。

图1：人类XPR1的冷冻电镜密度图和分子模型

除解析了XPR1识别焦磷酸的结构基础之外，本研究还通过电生理的方法，首次表明XPR1实际上是作为磷酸通道发挥生物学作用，并非此前认定的转运体蛋白。结合结构生物学与功能生物学的研究结果，本论文提出XPR1是一个焦磷酸肌醇门控的磷酸通道，是细胞用于感知磷酸代谢信号并做出磷酸外排应答的双功能分子机器。这一研究为人们理解磷酸代谢与磷酸稳态维持的细胞生物学机制提供了结构基础，并为探索相关钙化疾病的分子病理提供了指导与见解。

图2：XPR1通道的开放与关闭

上海精准医学研究院、附属九院骨科的曹禹研究员与中国药科大学的于烨教授为该论文的共同通讯作者。上海第九人民医院的博士生鲁毅、中国药科大学的博士生岳晨茜、上海精准医学研究院的毕业生张丽博士（现为美国西南医学中心博士后研究员）以及上海市仁济医院的姚德强副研究员为该论文的共同第一作者。本研究中的冷冻电镜数据的采集与加工分析均在本院电镜中心进行。功能实验主要在本院生物成像平台、蛋白质平台与组学平台完成。本论文研究的完成获得了国家自然科学基金、上海市教委“IV类高峰”项目、上海高水平地方高校创新团队与上海市运动系统退变与再生前沿科学基地的支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp3252