人源葡萄糖-6-磷酸酶催化亚基1（hG6PC1）的诱导契合与催化机制解析及其在糖代谢疾病治疗中的意义

本研究针对糖代谢紊乱疾病的关键靶点——人源葡萄糖-6-磷酸酶催化亚基1（hG6PC1），通过冷冻电镜技术解析了其与底物G6P/F6P及产物磷酸盐结合的多种构象状态，首次揭示了PS脂质调控酶活性的分子机制，为GSD-1a等疾病的精准诊疗提供了结构基础。研究成果发表于《Cell Discovery》，为开发靶向G6PC1的小分子药物开辟了新路径。

　　

在生命体的能量代谢网络中，葡萄糖稳态的维持犹如一场精密的交响乐，而葡萄糖-6-磷酸酶催化亚基1（G6PC1）正是这场演出的核心指挥家。作为糖原分解和糖异生通路的终末限速酶，G6PC1通过水解葡萄糖-6-磷酸（G6P）产生游离葡萄糖，直接调控血糖水平。然而，当这支"指挥棒"出现故障时，便会引发糖原贮积症1a型（GSD-1a）——一种以严重低血糖和糖原异常堆积为特征的遗传代谢病。更令人警惕的是，G6PC1活性异常还与糖尿病患者的空腹高血糖密切相关。尽管该酶的重要性早已被认知，但其精确的催化机制和构象变化规律始终是未解之谜。

为揭开这一谜团，北京大学的研究团队运用冷冻电镜技术，成功捕获了G6PC1在天然状态、底物结合状态和产物释放状态下的高分辨率结构。研究首先通过纳米圆盘重构技术获得接近生理状态的酶分子，结合分子动力学模拟和酶活分析，构建了从底物识别到产物释放的完整催化循环模型。

关键技术方法包括：（1）采用LMNG-CHS去污剂体系保持G6PC1天然构象；（2）通过H176N突变体捕获底物结合中间态；（3）利用冷冻电镜解析2.9-3.4?分辨率的三维结构；（4）结合分子动力学模拟验证磷脂酰丝氨酸结合位点；（5）建立体外酶活检测体系分析突变体功能。

研究结果部分：

整体结构特征

解析的G6PC1呈现典型的"珍宝箱"式拓扑结构，由9个跨膜螺旋（TM1-9）构成的跨膜域（TMD）形成箱体，两个胞外环（EL1-EL2）组成箱盖。结构分析发现一个独特的带正电荷腔体，其表面分布着保守的C1（⁷⁶KWILFGQRPY⁸⁵）、C2（¹¹⁶PSGHA¹²⁰）和C3（¹⁶⁹SRIYLAAHFPHQ¹⁸⁰）催化基序，共同构成G6P水解的活性中心。

底物识别与构象变化

在G6P结合状态下，酶分子发生显著的诱导契合效应：EL2环向活性中心旋转21?，使底物结合腔体积缩小17.4%（从1651?³减至1364?³）。关键残基R83、K76和H176通过盐桥网络精确锚定G6P的磷酸基团，而D69、E110等残基则稳定葡萄糖 moiety。酶活实验证实H176作为亲核攻击的关键位点，其突变体（H176A/N）完全丧失水解活性。

催化与产物释放机制

磷酸盐产物结合结构显示，水解反应导致活性中心微环境重构：E110通过中和R83/R170的正电荷削弱产物结合力，S117可能作为质子供体参与催化。特别值得注意的是，产物释放触发胞外域发生4.2?的位移，这种构象重排破坏了葡萄糖结合口袋，形成"分子开关"效应促进产物释放。

磷脂酰丝氨酸的调控作用

研究首次发现磷脂酰丝氨酸（PS）结合在TM1-TM3-TM8形成的疏水口袋中，其丝氨酸 head group 与D254、K263形成氢键网络。分子动力学模拟证实PS能稳定酶分子的半开放构象，实验数据显示破坏PS结合位点（如D254A突变）可使酶活性降低98%。

疾病突变的结构基础

研究将100余个GSD-1a致病突变分为三类：A类（如R83I、H119D）直接破坏催化中心；B类（如Q20R、C109Y）影响糖基化和蛋白折叠；C类（如G266V、L225P）导致跨膜螺旋堆积缺陷。这些发现为临床突变分类提供了分子标尺。

这项研究不仅阐明了G6PC1催化G6P水解的原子机制，更揭示了PS脂质调控酶活性的新范式。所解析的多状态结构为设计GSD-1a的靶向药物提供了精确模板，特别是PS结合位点的发现，为开发变构调节剂开辟了新途径。对于理解Ⅱ型磷酸酶超家族的催化共性，以及糖尿病中肝糖输出异常的分子基础都具有重要启示。未来研究可基于这些结构信息，开发能精确调控G6PC1构象动态的小分子，为糖代谢紊乱疾病提供更精准的治疗策略。