Science:揭示SPX結構域調節真核細胞內磷酸鹽平衡機制

2020-12-06 生物谷

結合一個InsP分子的SPX結構域三維結構模型，圖片辣子Rebekka Wild/UNIGE。

 

2016年4月19日/生物谷BIOON/--無機磷酸鹽是細胞膜、DNA和蛋白中不可缺少的組成部分。它也是三磷酸腺苷（ATP）的主要組分，其中ATP是細胞的能源貨幣。因此，所有細胞需要在它們的細胞質中維持足夠的磷酸鹽濃度，而且產生轉運和儲存這種營養物的系統。但是，細胞如何知道它實際上需要多少磷酸鹽呢？

 

在一項新的研究中，來自瑞士日內瓦大學（UNIGE）和洛桑大學（UNIL）的研究人員報導磷酸鹽轉運蛋白中的一個被稱作SPX結構域的區域指示真菌細胞、植物和人類細胞中的磷酸鹽狀態。這種結構域為調節細胞攝入這種營養物的小分子提供結合表面。這些發現可能導致人們開發更加高效地使用磷酸鹽的作物。相關研究結果於2016年4月14日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Control of eukaryotic phosphate homeostasis by inositol polyphosphate sensor domains」。

 

為了正確地發揮作用，真核細胞，即來自活的高等生物的細胞，需要維持足夠的磷酸鹽水平。為了吸收營養物，真菌、植物和人類細胞產生轉運和儲存磷酸鹽的系統。然而，細胞如何知道它們在一個給定的時間點上含有多少磷酸鹽一直是不清楚的。

 

在這項新的研究中，來自UNIGE理學院植物學與植物生物學系的Michael Hothorn教授和他的研究團隊解析出蛋白結構域SPX的晶體結構，其中這種SPX參與很多磷酸鹽信號通路。他們發現SPX為被稱作肌醇焦磷酸鹽（inositol pyrophosphate, InsP）信號分子的小分子化合物提供結合表面，僅當結合到SPX結構域時，InsP才能夠與其他的蛋白相互作用。鑑於SPX結構域能夠存在於不同的蛋白中，如酶、轉運蛋白或信號蛋白，研究人員猜測Insp在包括從酵母到人細胞在內的細胞中調節眾多參與磷酸鹽平衡的細胞過程。

 

普遍存在的指示細胞磷酸鹽狀態的信號

 

Michael Hothorn團隊通過與來自UNIL和歐洲其他大學的同事們合作研究這種猜測。來自UNIL的論文共同第一作者Ruta Gerasimaite解釋道，「我們發現Insp濃度基於磷酸鹽的可利用度（phosphate availability，已譯作磷酸鹽可獲得性）發生變化。在擁有足夠的磷酸鹽的細胞中，InsP水平較高，而當磷酸鹽變得稀缺時，Insp水平下降。」來自UNIGE的另一名論文共同第一作者Rebekka Wild 說，「在缺乏磷酸鹽的植物中，特異性轉錄因子開啟磷酸鹽轉運蛋白編碼基因表達。一旦植物含有足夠磷酸鹽時，填滿InsP的PSX結構域將結合到這些轉錄因子上，並讓它們失活，因此不再有磷酸鹽從土壤吸收到細胞中。」

 

UNIL植物分子生物學系Yves Poirier教授和他的同事Ji-Yul Jung進一步利用模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）證實這點：當磷酸轉運蛋白中存在的PSX結構域在正常條件下與InsP結合的位點上發生突變時，磷酸鹽轉運能力受損。

 

UNIL生物化學系Andreas Mayer教授聲稱，InsP的作用起初是在酵母中闡明的：「在研究通過磷酸鹽聚合---將單個磷酸鹽組裝成長鏈---來儲存這種化合物時，我們無意中發現InsP，而且我們的數據證實PSX結構域是InsP的受體。」一旦SXP結構域被InsP填滿，它激活參與磷酸鹽儲存的酶。

 

更好地理解細胞內磷酸鹽平衡

 

如今，這項研究為研究和更好理解有機體中的磷酸鹽平衡以及甚至導致磷酸鹽在作物中得到高效利用開闢新的途徑。Michael Hothorn說，「田間的作物通常缺乏磷酸鹽，因此需要施肥。然而，全世界的磷肥資源正在減少。我們的發現可能為開發能夠高效地依賴更少的磷酸鹽生長的作物打開大門。」（生物谷 Bioon.com） 

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Control of eukaryotic phosphate homeostasis by inositol polyphosphate sensor domains

doi:10.1126/science.aad9858

Rebekka Wild1,*, Ruta Gerasimaite2,*, Ji-Yul Jung3,*, Vincent Truffault4, Igor Pavlovic5, Andrea Schmidt2, Adolfo Saiardi6, Henning Jacob Jessen5,7, Yves Poirier3,†, Michael Hothorn1,†, Andreas Mayer

Phosphorus is a macronutrient taken up by cells as inorganic phosphate (Pi). How cells sense cellular Pi levels is poorly characterized. Here we report that SPX domains, which are found in eukaryotic phosphate transporters, signaling proteins and inorganic polyphosphate polymerases, provide a basic binding surface for inositol polyphosphate signaling molecules (InsPs), whose concentrations change in response to Pi availability. Substitutions of critical binding surface residues impair InsP binding in vitro, inorganic polyphosphate synthesis in yeast and Pi transport in Arabidopsis. In plants, InsPs trigger the association of SPX proteins with transcription factors to regulate Pi starvation responses. We propose that InsPs communicate cytosolic Pi levels to SPX domains and enable them to interact with a multitude of proteins to regulate Pi uptake, transport and storage in fungi, plants and animals.

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