揭示SPX結(jié)構(gòu)域調(diào)節(jié)真核細(xì)胞內(nèi)磷酸鹽平衡機(jī)制

無機(jī)磷酸鹽是細(xì)胞膜、DNA和蛋白中*的組成部分。它也是三磷酸腺苷（ATP）的主要組分，其中ATP是細(xì)胞的能源貨幣。因此，所有細(xì)胞需要在它們的細(xì)胞質(zhì)中維持足夠的磷酸鹽濃度，而且產(chǎn)生轉(zhuǎn)運(yùn)和儲(chǔ)存這種營(yíng)養(yǎng)物的系統(tǒng)。但是，細(xì)胞如何知道它實(shí)際上需要多少磷酸鹽呢？
 
在一項(xiàng)新的研究中，來自瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)（UNIGE）和洛桑大學(xué)（UNIL）的研究人員報(bào)道磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中的一個(gè)被稱作SPX結(jié)構(gòu)域的區(qū)域指示真菌細(xì)胞、植物和人類細(xì)胞中的磷酸鹽狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)域?yàn)檎{(diào)節(jié)細(xì)胞攝入這種營(yíng)養(yǎng)物的小分子提供結(jié)合表面。這些發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致人們開發(fā)更加地使用磷酸鹽的作物。相關(guān)研究結(jié)果于2016年4月14日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“Control of eukaryotic phosphate homeostasis by inositol polyphosphate sensor domains”。
 
為了正確地發(fā)揮作用，真核細(xì)胞，即來自活的高等生物的細(xì)胞，需要維持足夠的磷酸鹽水平。為了吸收營(yíng)養(yǎng)物，真菌、植物和人類細(xì)胞產(chǎn)生轉(zhuǎn)運(yùn)和儲(chǔ)存磷酸鹽的系統(tǒng)。然而，細(xì)胞如何知道它們?cè)谝粋€(gè)給定的時(shí)間點(diǎn)上含有多少磷酸鹽一直是不清楚的。
 
在這項(xiàng)新的研究中，來自UNIGE理學(xué)院植物學(xué)與植物生物學(xué)系的Michael Hothorn教授和他的研究團(tuán)隊(duì)解析出蛋白結(jié)構(gòu)域SPX的晶體結(jié)構(gòu)，其中這種SPX參與很多磷酸鹽信號(hào)通路。他們發(fā)現(xiàn)SPX為被稱作肌醇焦磷酸鹽（inositol pyrophosphate, InsP）信號(hào)分子的小分子化合物提供結(jié)合表面，僅當(dāng)結(jié)合到SPX結(jié)構(gòu)域時(shí)，InsP才能夠與其他的蛋白相互作用。鑒于SPX結(jié)構(gòu)域能夠存在于不同的蛋白中，如酶、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或信號(hào)蛋白，研究人員猜測(cè)Insp在包括從酵母到人細(xì)胞在內(nèi)的細(xì)胞中調(diào)節(jié)眾多參與磷酸鹽平衡的細(xì)胞過程。
 
普遍存在的指示細(xì)胞磷酸鹽狀態(tài)的信號(hào)
 
Michael Hothorn團(tuán)隊(duì)通過與來自UNIL和歐洲其他大學(xué)的同事們合作研究這種猜測(cè)。來自UNIL的論文共同*作者Ruta Gerasimaite解釋道，“我們發(fā)現(xiàn)Insp濃度基于磷酸鹽的可利用度（phosphate availability，已譯作磷酸鹽可獲得性）發(fā)生變化。在擁有足夠的磷酸鹽的細(xì)胞中，InsP水平較高，而當(dāng)磷酸鹽變得稀缺時(shí)，Insp水平下降。”來自UNIGE的另一名論文共同*作者Rebekka Wild 說，“在缺乏磷酸鹽的植物中，特異性轉(zhuǎn)錄因子開啟磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因表達(dá)。一旦植物含有足夠磷酸鹽時(shí)，填滿InsP的PSX結(jié)構(gòu)域?qū)⒔Y(jié)合到這些轉(zhuǎn)錄因子上，并讓它們失活，因此不再有磷酸鹽從土壤吸收到細(xì)胞中。”
 
UNIL植物分子生物學(xué)系Yves Poirier教授和他的同事Ji-Yul Jung進(jìn)一步利用模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）證實(shí)這點(diǎn)：當(dāng)磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中存在的PSX結(jié)構(gòu)域在正常條件下與InsP結(jié)合的位點(diǎn)上發(fā)生突變時(shí)，磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)能力受損。
 
UNIL生物化學(xué)系A(chǔ)ndreas 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(gè)磷酸鹽組裝成長(zhǎng)鏈---來儲(chǔ)存這種化合物時(shí)，我們無意中發(fā)現(xiàn)InsP，而且我們的數(shù)據(jù)證實(shí)PSX結(jié)構(gòu)域是InsP的受體。”一旦SXP結(jié)構(gòu)域被InsP填滿，它激活參與磷酸鹽儲(chǔ)存的酶。
 
更好地理解細(xì)胞內(nèi)磷酸鹽平衡
 
如今，這項(xiàng)研究為研究和更好理解有機(jī)體中的磷酸鹽平衡以及甚至導(dǎo)致磷酸鹽在作物中得到利用開辟新的途徑。Michael Hothorn說，“田間的作物通常缺乏磷酸鹽，因此需要施肥。然而，*的磷肥資源正在減少。我們的發(fā)現(xiàn)可能為開發(fā)能夠地依賴更少的磷酸鹽生長(zhǎng)的作物打開大門。”