Science：揭示SPX结构域调节真核细胞内磷酸盐平衡机制

　　2016年4月22日讯 无机磷酸盐是细胞膜、DNA和蛋白中不可缺少的组成部分。它也是三磷酸腺苷（ATP）的主要组分，其中ATP是细胞的能源货币。因此，所有细胞需要在它们的细胞质中维持足够的磷酸盐浓度，而且产生转运和储存这种营养物的系统。但是，细胞如何知道它实际上需要多少磷酸盐呢？

　　在一项新的研究中，来自瑞士日内瓦大学（UNIGE）和洛桑大学（UNIL）的研究人员报道磷酸盐转运蛋白中的一个被称作SPX结构域的区域指示真菌细胞、植物和人类细胞中的磷酸盐状态。这种结构域为调节细胞摄入这种营养物的小分子提供结合表面。这些发现可能导致人们开发更加高效地使用磷酸盐的作物。相关研究结果于2016年4月14日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Control of eukaryotic phosphate homeostasis by inositol polyphosphate sensor domains”。

　　为了正确地发挥作用，真核细胞，即来自活的高等生物的细胞，需要维持足够的磷酸盐水平。为了吸收营养物，真菌、植物和人类细胞产生转运和储存磷酸盐的系统。然而，细胞如何知道它们在一个给定的时间点上含有多少磷酸盐一直是不清楚的。

　　在这项新的研究中，来自UNIGE理学院植物学与植物生物学系的Michael Hothorn教授和他的研究团队解析出蛋白结构域SPX的晶体结构，其中这种SPX参与很多磷酸盐信号通路。他们发现SPX为被称作肌醇焦磷酸盐（inositol pyrophosphate, InsP）信号分子的小分子化合物提供结合表面，仅当结合到SPX结构域时，InsP才能够与其他的蛋白相互作用。鉴于SPX结构域能够存在于不同的蛋白中，如酶、转运蛋白或信号蛋白，研究人员猜测Insp在包括从酵母到人细胞在内的细胞中调节众多参与磷酸盐平衡的细胞过程。

　　普遍存在的指示细胞磷酸盐状态的信号

　　Michael Hothorn团队通过与来自UNIL和欧洲其他大学的同事们合作研究这种猜测。来自UNIL的论文共同第一作者Ruta Gerasimaite解释道，“我们发现Insp浓度基于磷酸盐的可利用度（phosphate availability，已译作磷酸盐可获得性）发生变化。在拥有足够的磷酸盐的细胞中，InsP水平较高，而当磷酸盐变得稀缺时，Insp水平下降。”来自UNIGE的另一名论文共同第一作者Rebekka Wild 说，“在缺乏磷酸盐的植物中，特异性转录因子开启磷酸盐转运蛋白编码基因表达。一旦植物含有足够磷酸盐时，填满InsP的PSX结构域将结合到这些转录因子上，并让它们失活，因此不再有磷酸盐从土壤吸收到细胞中。”

　　UNIL植物分子生物学系Yves Poirier教授和他的同事Ji-Yul Jung进一步利用模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）证实这点：当磷酸转运蛋白中存在的PSX结构域在正常条件下与InsP结合的位点上发生突变时，磷酸盐转运能力受损。

　　UNIL生物化学系Andreas Mayer教授声称，InsP的作用起初是在酵母中阐明的：“在研究通过磷酸盐聚合---将单个磷酸盐组装成长链---来储存这种化合物时，我们无意中发现InsP，而且我们的数据证实PSX结构域是InsP的受体。”一旦SXP结构域被InsP填满，它激活参与磷酸盐储存的酶。

　　更好地理解细胞内磷酸盐平衡

　　如今，这项研究为研究和更好理解有机体中的磷酸盐平衡以及甚至导致磷酸盐在作物中得到高效利用开辟新的途径。Michael Hothorn说，“田间的作物通常缺乏磷酸盐，因此需要施肥。然而，全世界的磷肥资源正在减少。我们的发现可能为开发能够高效地依赖更少的磷酸盐生长的作物打开大门。”