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磷是維持人體生命活動(dòng)的必需元素，在核酸構(gòu)成、能量代謝、信號傳導(dǎo)及骨骼發(fā)育等生理過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。細(xì)胞內(nèi)磷酸鹽的攝入對生命活動(dòng)至關(guān)重要，但是過量的磷酸鹽積累會(huì)與鈣、鎂、鐵等離子沉積，帶來細(xì)胞和組織毒性，需要外排機(jī)制及時(shí)平衡。XPR1是目前人體唯一已知的磷酸鹽外排蛋白，其功能異常與腦鈣化、血栓形成、腫瘤發(fā)生等多種疾病密切相關(guān)。在原發(fā)性基底節(jié)腦鈣化癥中，XPR1功能失調(diào)導(dǎo)致磷酸鹽外排障礙，進(jìn)而形成鈣磷沉積，最終誘發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)病變^[1]。在細(xì)胞內(nèi)XPR1的功能可被磷酸鹽濃度指示分子焦磷酸肌醇InsP8激活^[2]。同時(shí)，支架蛋白KIDINS220能與XPR1形成復(fù)合物調(diào)控磷酸鹽的外排^[3]。但是KIDINS220和InsP8調(diào)控XPR1功能的分子機(jī)制并不清晰，阻礙了我們對XPR1功能失調(diào)引起的腦鈣化等疾病發(fā)生機(jī)理的理解。

近日，中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心、生命過程小分子調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張一小課題組，聯(lián)合澳大利亞國立大學(xué)Ben Corry課題組、上海科技大學(xué)孫亞東課題組以及美國國立環(huán)境健康科學(xué)研究所Stephen Shears課題組，在Molecular Cell雜志上發(fā)表了題為“KIDINS220 and InsP8 safeguard the stepwise regulation of phosphate exporter XPR1”的研究文章。該研究通過結(jié)構(gòu)解析、功能研究、計(jì)算模擬等手段揭示了XPR1一種精細(xì)的“key-to-locks”活性調(diào)控方式，以及一種獨(dú)特的“knock-kiss-kick”磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)外排機(jī)制，闡明了原發(fā)性腦鈣化相關(guān)突變的致病機(jī)理，并發(fā)現(xiàn)了磷酸外排同源蛋白XPR1、PXo、PHO1在進(jìn)化上的保守性和差異性。

圖1. XPR1–KIDINS220復(fù)合物結(jié)構(gòu)及InsP8激活XPR1的全構(gòu)象變化過程

“Key-to-locks”活性調(diào)控方式：本研究通過冷凍電鏡解析了XPR1與神經(jīng)元支架蛋白KIDINS220復(fù)合物以及XPR1與InsP8復(fù)合物的高分辨三維結(jié)構(gòu)，捕捉到XPR1激活過程中的多種功能狀態(tài)。結(jié)合功能實(shí)驗(yàn)，本研究發(fā)現(xiàn)KIDINS220能將XPR1穩(wěn)定在關(guān)閉狀態(tài)，存在多重限制機(jī)制來給磷酸鹽外排活性上“鎖”。而天然底物InsP8，這一分子猶如“鑰匙”，能夠誘發(fā)XPR1的逐步激活：（1）在關(guān)閉狀態(tài)中，KIDINS220能夠與XPR1的不同基序結(jié)合，將XPR1的SPX結(jié)構(gòu)域牢牢鎖定在非翻轉(zhuǎn)的關(guān)閉狀態(tài)。其中，XPR1的α1螺旋形成interaction hub來穩(wěn)定該構(gòu)象。只有在InsP8存在并與XPR1的α1螺旋結(jié)合時(shí)，這一限制及其他內(nèi)部約束才能被解除；（2） 在關(guān)閉狀態(tài)中，XPR1的C-loop形成“蓋子”，遮擋住胞內(nèi)入口。InsP8誘導(dǎo)SPX結(jié)構(gòu)域發(fā)生逐步構(gòu)象重排，并發(fā)生180度的大翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)后的SPX暴露出與C-loop的結(jié)合界面，將胞內(nèi)入口打開，從而解除第二重限制；（3）XPR1的TM9b螺旋控制著外側(cè)出口，當(dāng)TM9b向外運(yùn)動(dòng)并擴(kuò)大外側(cè)通道時(shí)，磷酸基團(tuán)才能順利轉(zhuǎn)運(yùn)至胞外（圖1）。綜上所述，XPR1的激活需要依次解除由KIDINS220、α1螺旋、C-loop和TM9b螺旋等形成的多重限制，從而實(shí)現(xiàn)孔道開放，這一“key-to-locks”機(jī)制揭示了XPR1活性的精細(xì)調(diào)控模式。

“Knock-kiss-kick”磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)外排機(jī)制：通過對電鏡數(shù)據(jù)的細(xì)致計(jì)算分析，研究人員發(fā)現(xiàn)XPR1胞內(nèi)和胞外開口的開放是獨(dú)立的，捕捉到了磷酸鹽外排通道“關(guān)/關(guān)（內(nèi)/外），開/關(guān)，關(guān)/開，開/開”四種不同的構(gòu)象，這種互不耦聯(lián)的轉(zhuǎn)運(yùn)模式與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白完全不同。值得注意的是，在這四種構(gòu)象下，在轉(zhuǎn)運(yùn)通道內(nèi)部均存在著一處非常狹窄的constriction site,即使是在“開/開”構(gòu)象下，磷酸鹽也難以通過。結(jié)合磷酸基團(tuán)的相互作用分析及分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)了磷酸鹽在通道內(nèi)經(jīng)歷了一個(gè)獨(dú)特的外排過程：磷酸鹽首先通過靜電互斥，將constriction site附近的負(fù)電氨基酸向外推，將“門”敲開（knock），隨后在由多個(gè)帶正電氨基酸構(gòu)成的磷酸結(jié)合口袋內(nèi)短暫停留（kiss），附近帶負(fù)電及極性氨基酸平衡上述正電口袋的電性，削弱結(jié)合能力，口袋中結(jié)合的磷酸鹽短暫停留后被下一個(gè)進(jìn)入口袋的磷酸鹽向外踢出（kick），最終完成轉(zhuǎn)運(yùn)。基于此，本研究提出了一種新穎的“knock–kiss–kick”模型，用以描述XPR1介導(dǎo)的磷酸外排機(jī)制。

原發(fā)性家族性腦鈣化癥（PFBC）相關(guān)突變的致病機(jī)理：本研究不僅揭示了XPR1的正常調(diào)控機(jī)制，還為理解腦疾病提供了分子層面的解釋。PFBC患者中常見的致病突變（如R459C、R570L等）^{[1, 4]}位于XPR1通道內(nèi)的關(guān)鍵識別和門控區(qū)域。本研究解析了R459C、R570L這兩種突變體的結(jié)構(gòu)，意外發(fā)現(xiàn)R459C呈現(xiàn)出類似于InsP8結(jié)合的激活態(tài)構(gòu)象特征：SPX發(fā)生翻轉(zhuǎn)，胞內(nèi)側(cè)入口開放；而R570L則穩(wěn)定于向外開放的構(gòu)象。然而，這些突變雖然具有XPR1激活開放的構(gòu)象特征，但是改變了通道內(nèi)部的環(huán)境，使得磷酸鹽無法正常結(jié)合和轉(zhuǎn)運(yùn)，顯著削弱了外排能力，最終導(dǎo)致鈣磷沉積。本研究為由XPR1功能失調(diào)引起的腦鈣化發(fā)病機(jī)制提供了直接的分子闡釋。

XPR1同源蛋白進(jìn)化的保守性和差異性：XPR1的同源蛋白PHO1和PXo分別在植物和果蠅中發(fā)揮調(diào)節(jié)磷酸穩(wěn)態(tài)的重要作用。本研究通過結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn)，XPR1與PHO1、PXo在結(jié)構(gòu)上高度相似，但也存在顯著差異： PXo始終保持外側(cè)開口開放，且InsP6或InsP8均無法使其SPX結(jié)構(gòu)域穩(wěn)定，這提示PXo可能具有不同的激活調(diào)控機(jī)制。在解析PHO1結(jié)構(gòu)時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)其兩個(gè)單體呈現(xiàn)不對稱分布，但這一特征與其功能之間的關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。這些結(jié)果提示，磷酸外排機(jī)制在不同物種中經(jīng)歷了保守與分化的雙重進(jìn)化。

圖2.KIDINS220和InsP8調(diào)控XPR1磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)活性的模型

總體來講，本研究完整描繪了XPR1的逐步激活過程，并提出了兩個(gè)新穎模型：“key-to-locks”揭示了InsP8如何解除KIDINS220及XPR1自身施加的多重抑制，“knock–kiss–kick”描述了磷酸鹽的外排過程（圖2）。這些發(fā)現(xiàn)不僅為理解人類磷酸鹽穩(wěn)態(tài)提供了分子基礎(chǔ)，也為腦鈣化、腫瘤等疾病的致病機(jī)理研究及潛在干預(yù)策略開辟了新方向。

中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心博士研究生王曉捷、柏忠諫，澳大利亞國立大學(xué)博士研究生Ciara Wallis為共同第一作者。張一小研究員, Ben Corry教授, 孫亞東教授, Stephen Shears教授為本文通訊作者。第二軍醫(yī)大學(xué)楊田教授、杭州師范大學(xué)雷明光教授以及本文其他作者亦做出了重要貢獻(xiàn)。該工作得到了科技部科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金海外優(yōu)青項(xiàng)目、中國科學(xué)院上海分院青年英才培育計(jì)劃，以及上海市科委的資助。

張一小研究員長期招聘細(xì)胞生物學(xué)、藥物化學(xué)、生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)方向博士后和科研助理，歡迎申請 （yzhang@@@sioc.ac.cn）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2025.08.003

參考文獻(xiàn)：

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2. Li, X., et al., Control of XPR1-dependent cellular phosphate efflux by InsP(8) is an exemplar for functionally-exclusive inositol pyrophosphate signaling. Proc Natl Acad Sci U S A, 2020. 117(7): p. 3568–3574.

3. Bondeson, D.P., et al., Phosphate dysregulation via the XPR1-KIDINS220 protein complex is a therapeutic vulnerability in ovarian cancer. Nat Cancer, 2022. 3(6): p. 681–695.

4. Orimo, K., et al., A Japanese family with idiopathic basal ganglia calcification carrying a novel XPR1 variant. J Neurol Sci, 2023. 451: p. 120732.