CTP诱导hCTPS1丝状结构形成的分子机制及其在代谢调控中的进化保守性

本研究揭示了CTP合成酶（CTPS）产物CTP通过诱导hCTPS1丝状组装调控核苷酸代谢的新机制。研究人员通过冷冻电镜解析3.3 ?高分辨率CTP-hCTPS1丝状结构，发现CTP通过两个结合口袋稳定丝状体，颠覆了"CTP导致解聚"的传统认知。该研究为靶向hCTPS1治疗癌症和免疫疾病提供了结构基础，并阐明代谢酶丝状化调控的进化保守规律。

　　

在细胞快速增殖过程中，核苷酸代谢如同交响乐团的指挥，协调着DNA复制和RNA合成的节奏。CTP合成酶（CTPS）作为这场生命交响乐的核心乐手，催化着CTP（三磷酸胞苷）合成的终末步骤。然而这个关键酶存在令人着迷的矛盾行为——它既能以游离四聚体形式存在，又能聚集成神秘的丝状结构"细胞蛇（cytoophidium）"。过去十年间，从细菌到人类，科学家们在不同物种中都观察到这种奇特现象，但始终未能破解其分子密码。

人类拥有两种CTPS亚型，其中hCTPS1（人CTP合成酶1型）与免疫缺陷和癌症进展密切相关。当hCTPS1功能异常时，患者会出现严重的淋巴细胞增殖障碍；而在癌细胞中，它又常常过度活跃。更令人困惑的是，先前研究认为hCTPS1的丝状结构仅在底物（ATP/UTP）存在时稳定，其产物CTP会触发丝状体解聚——这种观点使得hCTPS1的调控机制如同蒙着面纱的舞者，始终未能展现真容。

上海科技大学的研究团队通过冷冻电镜（cryo-EM）技术，首次捕捉到CTP-hCTPS1丝状体的精细结构。研究发现CTP不仅不会导致丝状体解体，反而能促进其稳定组装。就像拼装乐高积木，每个hCTPS1四聚体通过GAT结构域（谷氨酰胺酰胺转移酶结构域）的α螺旋（残基346-357）相互嵌合，形成规则的螺旋阵列。特别值得注意的是，H355和W358这两个保守氨基酸如同"分子卡扣"，在不同物种的CTPS中都扮演着丝状组装的关键角色。

研究采用多学科技术手段：通过负染电镜观察不同配体条件下的丝状体形态；利用酶动力学实验监测CTP生成动态；采用冷冻电镜解析3.3 ?分辨率结构；运用位点保守性分析揭示进化规律。特别设计的DON（6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸）处理稳定了易降解的GAT结构域，为高分辨率结构解析奠定基础。

hCTPS1组装成大尺度丝状结构
在含Mg²⁺、GTP和过量谷氨酰胺的反应体系中，hCTPS1催化45%的UTP转化为CTP。电镜观察发现，反应产物会促使hCTPS1形成周期性排列的丝状束，这些束状结构宽度均匀，暗示CTP-rich环境可能促进高阶组装。

CTP诱导hCTPS1丝状化
颠覆性发现来自配体筛选实验：传统认为导致丝状体解聚的CTP，实际上单独存在时就能诱导丝状形成。时间分辨实验显示，CTP加入后数秒内即可观察到丝状体，而ADP（二磷酸腺苷）也有类似效果，但谷氨酸无此功能。这直接挑战了"产物诱导解聚"的旧范式。

CTP-hCTPS1丝状体的冷冻电镜结构
3.3 ?分辨率结构揭示，每个螺旋单元包含四个hCTPS1单体，沿轴向升高105 ?并旋转40°。两个独特的CTP结合位点被发现：典型位点（与UTP位点重叠）由E155通过盐桥稳定核糖基团；非典型位点（与ATP位点重叠）则通过S21/K319/F77网络固定胞嘧啶环。这种双位点结合模式在hCTPS2和果蝇CTPS（DmCTPS）中高度保守。

hCTPS1丝状化的进化保守性
尽管丝状界面保守，真核与原核CTPS的调控策略迥异：大肠杆菌CTPS（EcCTPS）仅在产物存在时形成抑制性丝状体，而真核CTPS能在底物和产物状态下双向调节。结构比对显示，hCTPS1的AL结构域（酰胺连接酶结构域）在配体转换时保持刚性（RMSD 0.899 ?），而GAT结构域则发生旋转位移，这种"铰链运动"可能是调控活性的关键。

这项研究重新绘制了hCTPS1的调控图谱：CTP作为终产物并非简单的"关闭开关"，而是通过稳定特定丝状构象实现精细调控。这种机制在进化长河中得以保留，暗示丝状化可能是代谢酶应对复杂需求的通用策略。对医学领域而言，hCTPS1非典型位点中I250（hCTPS2对应T250）的发现，为设计亚型特异性抑制剂提供了精准靶标。当MYC癌基因过度激活的肿瘤细胞依赖CTPS1存活时，这种结构指导的药物设计可能成为新的治疗突破口。

正如研究者Chen-Jun Guo和Xiaojie Bao在文中所强调的，这项工作不仅解开了hCTPS1丝状调控的谜团，更开辟了通过调控酶聚合状态治疗代谢疾病的新途径。当科学家们能够精确操控这些纳米级的"分子积木"时，或许就能谱写出治疗癌症和免疫缺陷的全新乐章。