人体磷酸盐如何保持稳态？我国科学家揭示“阀门”工作机制

  最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心姜道华团队利用冷冻电镜单颗粒技术和磷酸根外排功能体系对XPR1结构和功能进行了深入的分析，阐明了XPR1磷酸盐转运和调控机制，相关成果于8月21日在《自然》杂志发表。

  磷是人体含量第六多的常量元素，每个成年人大约含有1公斤的磷。由于含有大量磷元素，尸体降解过程中产生的磷化氢在某些条件下会自燃，发出荧荧“磷火”，在古代被迷信地称为“鬼火”。汉代文学家王逸在《九思·哀岁》曾写道：“神光兮熲熲，鬼火兮荧荧。”

　　磷（Phosphorus，P）元素于1669年由德国化学家（炼金术士）亨尼格·布兰德在寻找“哲人石”的过程中发现，他从50桶人类尿液中意外得到一种像白蜡的物质，可以发出蓝绿色的火焰。现代研究表明，磷几乎参与生命体所有的生理进程：磷酸盐是骨骼和牙齿的主要成分；磷形成DNA、RNA、ATP和磷脂分子的骨架；磷参与酸碱平衡；蛋白质通过磷酸化/去磷酸化作为信号调节细胞代谢（图一）。

　　人体有一套调节磷酸盐的稳态的系统，通过控制磷酸盐的吸收和外排来维持机体的磷酸盐平衡。其中，XPR1是哺乳动物中目前已知唯一的磷酸盐外排蛋白。本研究揭示了XPR1是如何外排磷酸盐的。

  图一：磷酸盐代谢涉及许多生物过程

  成年人每日从食物中获取约1000 mg磷酸盐，其中约700 mg磷酸盐在消化系统和泌尿系统中被人体吸收，剩余的磷酸盐在尿液和粪便中被排出体外。被吸收的磷酸盐中，有85 %储存于人体骨骼和牙齿中，14 %进入细胞内液，维持细胞内的磷酸盐稳态，约1 %的磷酸盐进入血清中，维持人体组织间的磷酸盐稳态。

　　尽管磷酸盐在人体中如此重要，但过多的磷酸盐积累仍会引发许多不良后果，包括心血管、肿瘤发生、抑郁和神经元疾病等并发症。因此，将多余的磷酸盐排出细胞外就显得尤为重要，此时作为哺乳动物唯一的磷酸盐外排蛋白XPR1一马当先，以一己之力平衡局面。那么，XPR1是如何在细胞上力挽狂澜，救磷失衡细胞于“水火之中”呢？目前仍是未解之谜。

  XPR1是何方神圣，竟能如此逆天改命？那就不得不谈谈他的“前世今生”。最初XPR1以反转录病毒的细胞表面受体出现在大家的视野中，后续发现，小小蛋白竟然身兼数职，是什么让它如此能干？XPR1除了包含一个跨膜结构域外，还拥有一个普遍存在于动物、植物和微生物中“百搭”蛋白SPX结构域。这个“百搭”蛋白作为多磷酸肌醇的感受器，及时感受细胞内因磷酸盐过量而发出“SOS”。XPR1从外排磷酸盐，到感知“求救”信号，最后救细胞于“磷”难之时，是如何一步步实现的呢？

  在这项研究中，作者解析了XPR1处于关闭、开放和结合肌醇-6磷酸的三种不同构象的高分辨率结构。根据结构和功能结果，作者发现XPR1中有三个由正电氨基酸形成的位点，利用正负电吸引的方式结合磷酸根；当这些磷酸根结合到XPR1后，会诱导XPR1发生构象变化，形成一个贯通细胞膜的通道，使磷酸根离子流出细胞（图二）。

  XPR1蛋白非常的“聪明”，为了避免过多磷酸根离子的外排导致营养流失，XPR1利用自己末端一段柔性络环控制通道开口的大小。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的柔性络环结合在磷酸根入口附近并降低磷酸根进入蛋白的流量；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结构域与柔性络环相互作用，使其远离磷酸根入口，从而增加磷酸根离子进入XPR1的流量（图三）。

  由于磷酸根结合位点，柔性络环，以及SPX结构域在酵母磷酸盐转运蛋白SYG1，植物磷酸盐转运蛋白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盐的稳态。

  图二 XPR1不同构象的结构

  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盐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。

  图三 XPR1磷酸盐转运调节机制模型

  研究团队表示，尽管已经取得了阶段性进展，但一些关键问题仍然需要进一步研究探索。例如，XPR1作为病毒受体是如何介导病毒入侵细胞的？这些问题仍然有待研究人员后续的研究进行解答。（宋雅娟）