人类XPR1磷酸盐外排蛋白的结构与功能解析：揭示原发性家族性脑钙化的分子机制

本研究针对维持磷酸盐稳态的关键转运蛋白XPR1（Xenotropic and polytropic retrovirus receptor 1）展开系统性探索。通过冷冻电镜技术解析了人类XPR1（HsXPR1）的3.55?高分辨率结构，首次揭示其独特的二聚体构象及磷酸盐结合位点特征，阐明了TM9构象变化调控的“通道样”转运机制。该研究不仅为理解原发性家族性脑钙化（PFBC）等疾病的致病机制提供结构基础，还为靶向XPR1的癌症治疗策略开发奠定理论基础。

　　

磷酸盐（Pi）作为生命体的核心元素，参与骨骼矿化、信号传导和核酸合成等关键生理过程。然而，细胞内的磷酸盐水平需要精密调控——过多会导致病理性钙化，过少则引发代谢紊乱。在众多调控因子中，XPR1蛋白因其独特的磷酸盐外排功能成为研究焦点。该蛋白的突变与原发性家族性脑钙化（PFBC）直接相关，这种罕见神经系统疾病表现为基底节等脑区的异常钙化沉积。更引人注目的是，近年研究发现XPR1在卵巢癌等恶性肿瘤中扮演关键角色，使其成为极具潜力的治疗靶点。然而，由于缺乏高分辨率结构信息，XPR1的分子工作机制长期处于“黑箱”状态。

中国科学技术大学的研究团队通过冷冻电镜技术成功解析了人类XPR1的原子结构，相关成果发表于《Nature Communications》。研究采用HEK293F细胞表达系统获得全长HsXPR1蛋白，通过磷酸盐外排实验验证其功能活性后，利用单颗粒冷冻电镜技术（分辨率3.55?）解析其三维结构。结合分子对接和定点突变等实验，系统阐明了XPR1的二聚化界面、磷酸盐结合位点及构象变化机制。

整体结构特征
冷冻电镜结构显示HsXPR1形成同源二聚体，每个亚基包含10个跨膜螺旋（TM1-TM10），可划分为支架域（TM1-TM4）和核心域（TM5-TM10）。二聚化界面独特地仅由TM1直接参与，该区域富含Thr234、Gly238等小侧链氨基酸，通过范德华力维持二聚体稳定性。结构分析发现一个磷脂分子嵌入支架域与核心域之间的空腔，对维持蛋白构象具有重要作用。

磷酸盐结合位点
通过分子对接鉴定出两个关键磷酸盐结合位点：外部位点（Arg270/Arg273/Arg448构成正电荷口袋）和中心位点（Lys482/Arg570/Arg603-Arg604簇）。定点突变实验证实，这些位点的氨基酸突变（如R270A、R570A等）均导致磷酸盐外排活性显著降低，证明其功能必要性。与细菌SLC20A1依赖钠离子辅助的磷酸盐识别机制不同，HsXPR1通过富集正电荷残基直接结合磷酸盐。

胞外门控机制
TM9被确定为构象调控的核心元件：在闭合状态（本研究结构）中，TM9与TM5-TM7形成三层相互作用网络（如Trp573-Asn401、Ile577-Gln452等）；而在开放状态（对比PDB:8X5E结构）中，TM9胞外段发生53°摆动，使Trp573与Tyr518形成π-π堆积。这种构象变化由中心位点的Arg570介导，该残基突变（R570C）已知会导致PFBC，印证了其生理重要性。

SPX结构域动态
在未添加外源肌醇多磷酸（InsPs）条件下捕获的HsXPR1_spx结构（分辨率4.3?）显示，胞质SPX结构域形成V型二聚体。当细胞内磷酸盐浓度升高时，InsPs结合诱导SPX结构域发生35°旋转，解除C端环对通道的阻塞，进而激活转运活性。

这项研究首次完整揭示了XPR1的工作蓝图：在静息状态，V型SPX二聚体维持通道关闭；当细胞内磷酸盐水平升高时，InsPs结合触发SPX构象变化，磷酸盐结合中心位点后引起TM9摆动，最终打开胞外门控实现磷酸盐外排。这些发现不仅解释了PFBC等疾病的致病突变机制，还为开发靶向XPR1的癌症治疗药物提供了精确的结构模板。特别值得注意的是，XPR1在肿瘤细胞中通过调控磷酸盐稳态影响增殖的发现，使其成为卵巢癌等恶性肿瘤的潜在治疗靶点。该研究通过将结构生物学与功能分析相结合，为理解磷酸盐代谢紊乱相关疾病开辟了新视角。