KIDINS220与肌醇焦磷酸协同激活人类磷酸盐输出蛋白XPR1的结构机制解析

编辑推荐：中国科学院研究人员通过冷冻电镜技术解析了XPR1-KIDINS220复合物在底物结合状态下的三维结构，揭示磷酸盐外排过程中KIDINS220与肌醇焦磷酸(InsP6/InsP8)的协同调控机制，为原发性家族性脑钙化症(PFBC)和卵巢癌等疾病的治疗提供新靶点。

　　

磷酸盐(Pi)作为生命必需元素，在DNA合成、能量代谢等关键生物学过程中发挥重要作用。然而细胞内磷酸盐水平必须精确调控——过高会导致毒性，过低则影响基本生命活动。这种精密的平衡主要依赖于磷酸盐转运蛋白的协同工作，其中XPR1作为脊椎动物中唯一已知的磷酸盐输出蛋白，其功能失调与原发性家族性脑钙化症(PFBC)、多种癌症等疾病密切相关。尽管前期研究发现XPR1的功能受肌醇焦磷酸(InsP₆/InsP₈)和支架蛋白KIDINS220调控，但其分子机制一直未明。

为破解这一科学难题，中国科学院的研究团队采用冷冻电镜(cryo-EM)技术，成功解析了人源XPR1-KIDINS220复合物在不同功能状态下的高分辨率结构，包括底物游离的闭合状态(XPR1_C)、底物结合的外向开放状态(XPR1_OUT)以及突变体E622A/F623A的内向开放状态(XPR1_IN)。结合³²P标记的磷酸盐外排实验和分子动力学模拟，系统阐明了XPR1的磷酸盐转运机制及其调控原理。这项重要研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究主要采用了以下关键技术：冷冻电镜三维重构技术解析蛋白质复合物结构；分子动力学模拟分析InsP₈结合特性；放射性同位素³²P标记的磷酸盐外排实验验证转运活性；基于AlphaFold2的蛋白质相互作用预测；点突变构建与功能验证等。实验使用的HEK293F细胞系和人体组织来源的cDNA确保了研究的相关性。

结构分析部分，研究人员首先成功解析了XPR1-KIDINS220(1-432)复合物的闭合状态结构。该结构显示XPR1形成同源二聚体，跨膜区(TMD)由10个螺旋(TM1-10)组成，二聚界面由TM1和TM3构成，并有多脂质分子参与稳定。特别值得注意的是，Cys415和Cys440间的二硫键对TM6的稳定起关键作用，而胆固醇分子则填充在TM2、TM9-10形成的凹槽中。

在"InsP₆促进SPX结构域与跨膜区结合"部分，研究揭示了XPR1激活的关键机制。在InsP₆和KH₂PO₄存在时，复合物呈现外向开放构象，TM9产生45°弯曲形成细胞外入口。InsP₆同时结合SPX结构域和跨膜区的近膜区域，像"分子胶水"一样稳定两者相互作用。分子动力学模拟证实带更多负电荷的InsP₈能更有效促进这种结合。

关于"InsP₆结合位点"的研究发现，InsP₆结合口袋由SPX结构域的Lys2、Lys158、Lys161等正电荷残基和跨膜区的Arg308、Lys364等共同构成。功能实验显示这些位点的突变(K2A、K158A等)会显著降低磷酸盐外排活性，证实了该结合位点的重要性。

在"C末端插入环阻断胞内空腔"的发现中，研究团队观察到Glu622/Phe623模体像"插销"一样阻断胞内空腔。该模体通过Glu622-Arg472盐桥、Phe623与Phe391/Phe394的π-π堆积等相互作用实现自抑制。E622A/F623A双突变体表现出显著增强的转运活性，揭示了该模体的自抑制功能。

研究人员还描绘了"XPR1的磷酸盐离子转运孔道"。该孔道可分为三个关键区域：细胞外侧由Tyr443、Gln452等形成"门控"；孔道中部由Lys482、Arg570等正电荷残基构成"正电荷环"；胞内侧入口则由Phe394、Arg466等形成另一个正电荷环。突变实验证实Tyr483和Trp528对维持孔道稳定性至关重要。

基于这些发现，研究提出了XPR1的"摇椅式交替进出"(rocking-bundle alternating-access)转运机制模型：在基础状态下，XPR1处于闭合构象，C末端插入环阻断胞内空腔；InsP₈结合促使SPX结构域与跨膜区结合，解除自抑制；KIDINS220进一步稳定这种构象变化；磷酸盐结合后，XPR1转变为外向开放状态完成转运。

这项研究的重要意义在于：首次在原子水平揭示了XPR1的磷酸盐转运机制；阐明了KIDINS220和肌醇焦磷酸的协同调控原理；为理解PFBC等疾病的发病机制提供了结构基础；发现的多个关键功能位点为开发靶向XPR1的 therapeutics 提供了精确的分子靶点。特别是，考虑到XPR1在多种癌症中的异常表达，这些发现可能为开发新型抗肿瘤策略开辟道路。

研究人员特别指出，KIDINS220的参与使XPR1的活化具有空间特异性——仅在与KIDINS220共定位的细胞器(如晚期内体和质膜)上才能有效发挥功能。这种精密的调控机制避免了胞内其他区室中磷酸盐的异常流失，体现了生命体系调控的高度精确性。该研究不仅解决了膜转运蛋白领域的重要科学问题，也为相关疾病的精准治疗提供了新思路。