解析人无机磷酸盐转运体 XPR1：运输、调控机制与疾病关联的深度探索

在人体中，无机磷酸盐（Pi）的稳态调节至关重要，但其跨膜转运机制尚不完全清楚，XPR1 功能及相关疾病机制也有待明确。为此，研究人员开展了对人无机磷酸盐转运体 XPR1 的研究，确定其结构和功能机制。这为理解相关疾病及治疗干预提供了理论依据。

　　在生命的微观世界里，无机磷酸盐（Pi）就像一把双刃剑，对细胞起着不可或缺的作用，它参与生物能量代谢、代谢调节、细胞增殖等关键过程，是细胞活动的重要 “参与者” 。然而，当 Pi 的浓度失衡时，就会带来一系列麻烦。目前，尽管 Pi 稳态在人体生理中极为重要，但人们对细胞控制 Pi 进出的复杂机制了解并不全面。尤其是对于唯一已知的 Pi 转运蛋白 XPR1（Xenotropic and Polytropic Retrovirus Receptor 1，也称为 SLC53A1 ），它在 Pi 转运过程中的具体功能和调控机制，以及其与相关疾病的联系，都是亟待探索的谜题。为了解开这些谜团，来自美国纪念斯隆凯特琳癌症中心（Memorial Sloan Kettering Cancer Center）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解 XPR1 的功能、相关疾病机制以及潜在治疗干预提供了重要线索。

研究人员主要运用了冷冻电镜（cryo-EM）技术和功能表征实验这两种关键方法。冷冻电镜技术能够让研究人员在接近生理状态下观察 XPR1 的分子结构，功能表征实验则通过放射性 [³²P] 转运测定等方法，检测 XPR1 的 Pi 转运功能。

研究结果如下：

1. XPR1 的功能表征：研究人员开发了细胞放射性 [³²P] 转运测定法，在 hTERT RPE-1 细胞中检测到 Pi 外排信号。通过生成 XPR1 基因敲除细胞和使用抑制肽 XRBD4，证实观察到的 Pi 外排依赖于内源性 XPR1。此外，将野生型 XPR1 重新引入敲除细胞后，Pi 外排功能得以恢复，表明功能性 XPR1 存在于细胞膜上。
2. XPR1 的结构解析：研究人员纯化了重组全长人 XPR1 蛋白，利用冷冻电镜技术确定了其在不同构象状态下的结构，分辨率在 2.5 - 3.3 ? 之间。XPR1 由 N 端 SPX 结构域和十个跨膜 α - 螺旋（TM1 至 TM10）组成，呈二聚体构象。其膜嵌入结构域可分为支架结构域（TM1 - 4）和转运结构域（TM5 - 10），两个结构域之间存在胆固醇和磷脂等分子。
3. XPR1 的不同构象状态：研究人员获得了 XPR1 的三种不同构象状态，这些状态与 PP - InsPs 的存在和种类相关。InsP₈能使细胞内 SPX 结构域刚性化，而 InsP₆则不能。非生理浓度的 Pi 可能会影响 XPR1 的蛋白行为。
4. 二聚化对 XPR1 功能的重要性：研究发现 XPR1 的二聚化由 TM1 中的 GxxxG α - 螺旋堆积基序促进，突变该基序中的甘氨酸残基会破坏二聚化，进而影响 XPR1 的转运功能。此外，还观察到一种交替的二聚体组装形式，胆固醇可能在稳定 TM1、促进二聚化方面发挥作用。
5. 底物转运途径：在 XPR1 的转运结构域中观察到三个与 Pi 底物一致的离散密度，确定了底物转运途径。Pi 结合位点 1 靠近细胞内部，与位点 2 通过短窄隧道相连，位点 3 靠近细胞外空间。突变 Pi 结合位点的氨基酸残基会影响 XPR1 的转运功能，表明 Pi 进入底物转运途径的能力对有效转运至关重要。
6. InsP₈依赖的调控机制：InsP₈与 XPR1 二聚体结合，通过四个正电荷表面形成两个结合位点，稳定 SPX 结构域并桥接相邻结构域。突变结合位点的关键残基会影响 XPR1 的转运功能，表明 InsP₈与两个口袋的结合对 XPR1 的转运功能是必要的。
7. InsP₈诱导的 Pi 转运：结合 InsP₈的 XPR1 存在两种功能状态，即细胞内门开放（iO）和关闭（iC）状态。在 iC 状态下，C - 末端尾巴（C - plug）阻止 Pi 进入转运途径；在 iO 状态下，C - 末端尾巴被 SPX 结构域隔离，打开转运途径入口。缺乏 SPX 结构域或 C - 末端尾巴的 XPR1 无法进入 iO 状态，表明这些区域对 XPR1 的功能至关重要。

研究结论和讨论部分指出，XPR1 是哺乳动物中唯一含 SPX 结构域的蛋白，通过结合 InsP₈感知细胞内 Pi 浓度并调节 Pi 外排活性。InsP₈作为 “分子胶水”，桥接不同结构域，稳定 XPR1 的特定功能状态，这一调节机制与以往认知不同，体现了 PP - InsPs 调节含 SPX 结构域蛋白功能的多样性。此外，XPR1 离子传导途径存在细胞内和细胞外两个 “门”，InsP₈结合可触发细胞内门打开，但目前关于 Pi 转运仍有许多问题待解，如离子通量速率测量、门开放的耦合机制、转运驱动力以及蛋白 - 蛋白相互作用对 XPR1 功能的影响等。该研究对理解原发性家族性脑钙化（PFBC）和癌症等疾病中 Pi 稳态失调的机制具有重要意义，为开发针对这些疾病的治疗方法提供了理论基础，有助于设计能够调节 XPR1 活性的药物，为相关疾病的治疗带来新的希望。