XPR1作为电压和磷酸盐激活的磷酸盐通透性离子通道的结构与功能解析

本研究通过冷冻电镜技术解析了人类XPR1(hXPR1)的三维结构，揭示其作为电压和磷酸盐(Pi)依赖性离子通道的全新机制。研究结合电生理学与脂质体转运实验，证实XPR1通过6-螺旋束形成的中央孔道介导Pi外排，并发现PFBC（原发性家族性脑钙化）相关突变位点Arg570等关键残基的功能缺陷。该成果为理解Pi稳态调控及XPR1相关疾病提供了分子基础，发表于《Nature Communications》。

　　

论文解读

无机磷酸盐(Pi)是细胞能量代谢、信号传递和生物合成的核心分子，其胞内浓度需精密调控。然而，Pi外排机制长期未明，XPR1作为哺乳动物唯一已知的Pi外排蛋白，与原发性家族性脑钙化(PFBC)和多种癌症密切相关。尽管其SPX结构域被鉴定为Pi传感器，XPR1的跨膜转运机制及疾病相关突变的作用机制仍是谜团。

为解决这一难题，研究人员通过冷冻电镜解析了hXPR1的3.4 ?分辨率结构，发现其跨膜区由10个α螺旋组成，其中TM5-10形成独特的6-螺旋桶状结构，中心存在带正电的孔道。电生理实验显示，hXPR1具有134 pS的单通道电导，其活性受膜电压和胞内Pi浓度双重调控。脂质体转运实验进一步证实，XPR1介导的Pi外排依赖钾离子梯度和缬氨霉素诱导的膜电位。结构分析发现两个潜在Pi结合位点：位点1由Lys482和Arg604构成，位点2由Arg570/Arg603/Arg604组成，突变这些残基会显著抑制Pi转运。此外，C端尾部（IL4）可能通过连接SPX与跨膜区实现变构调控。

关键技术方法
研究采用HEK293S GnTI细胞表达hXPR1，通过亲和层析和尺寸排阻色谱纯化蛋白；冷冻电镜单颗粒分析获得apo-hXPR1（3.4 ?）和Pi/InsP6结合状态（2.3 ?）结构；电生理实验使用巨型单层脂质体(GUV)记录电压依赖性电流；³²P标记的Pi转运实验验证功能；AlphaFold2预测辅助结构分析。

研究结果

1. hXPR1的冷冻电镜结构

   • 发现hXPR1为同源二聚体，每个单体含10个跨膜螺旋（非此前预测的8个），TM5-10形成中央孔道，直径约3 ?。
   • 结构相似性分析显示，hXPR1与已知转运蛋白差异显著，但与古菌氯离子视紫红质有局部相似性，提示其可能通过通道机制转运Pi。

2. 电压和Pi依赖的离子通道活性

   • 电生理实验显示，hXPR1电流具有内向整流特性，激活需负电压和高Pi（75 mM时开放概率最大）。
   • 突变体R570A在75 mM Pi下电流减弱，证实Arg570参与Pi选择性。

3. Pi转运途径的分子基础

   • 孔道内鉴定出两个Pi结合位点：位点1（Lys482/Arg604）位于狭窄区，位点2（Arg570/603/604）与植物磷酸转运蛋白的Pi识别区相似。
   • PFBC相关突变（如Arg570Leu）通过破坏Pi结合导致功能缺陷。

4. C端尾部的调控作用

   • C端IL4螺旋连接SPX与跨膜区，可能传递InsP8等磷酸肌醇信号，调控孔道开放。

结论与意义
本研究首次阐明XPR1作为电压/Pi激活离子通道的结构与机制，突破了对Pi外排的传统认知。发现PFBC突变集中于孔道关键残基，为疾病治疗提供靶点；同时揭示XPR1在癌症中高表达的潜在病理机制。未来研究可探索TM9构象变化如何打开胞外出口，以及InsP8如何通过SPX-C端-TMD级联调控通道活性。该成果为Pi稳态失衡相关疾病的干预策略奠定理论基础。