科学家揭示人体磷酸盐“阀门”工作机制

日前，记者从中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心获悉，研究员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，深入分析了一种可以帮助人体排出磷酸盐的蛋白——XPR1的结构和功能，阐明了该蛋白转运和调控磷酸盐的机制。该研究有助于推进人体磷酸根稳态的相关研究，相关成果发表于《自然》。

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”。现代研究表明，磷几乎参与生命体所有的生理进程，例如，磷酸盐是骨骼和牙齿的主要成分；磷形成核酸的骨架，参与酸碱平衡；蛋白质也通过磷酸化或去磷酸化作为信号调节细胞代谢。

尽管磷酸盐在人体中如此重要，但磷酸盐的过多积累会引发心血管、肿瘤发生、抑郁和神经元疾病等。因此，将多余的磷酸盐排出细胞外也尤为重要，而XPR1是哺乳动物中目前已知唯一的磷酸盐外排蛋白。不过，XPR1如何在细胞上力挽狂澜，救磷失衡细胞于“水火之中”，一直是未解之谜。

在姜道华团队的研究中，科研人员发现，XPR1的结构类似于转运蛋白，但是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，XPR1在外排磷酸根的过程中，采取了一种新颖的、类似于通道的门控机制。

“XPR1是一种反转录病毒的细胞表面受体，拥有一个普遍存在于动物、植物和微生物中的SPX结构域，SPX结构域可以及时感受细胞内因磷酸盐过量而发出‘求救信号’。”姜道华说。

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。

“XPR1蛋白非常‘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。”姜道华说。

与此同时，研究团队表示，尽管已经取得了阶段性进展，但“XPR1作为病毒受体是如何介导病毒入侵细胞的”等关键问题仍然需要进一步研究探索。

XPR1磷酸盐转运调节机制模型。中国科学院物理研究所供图

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07852-9