人源鸟苷酸激酶(GMPK)催化构象的全面解析：揭示抗病毒前药激活与肿瘤发生的关键机制

本研究针对人源鸟苷酸激酶(GMPK)在抗病毒前药激活和肿瘤代谢重编程中的关键作用，通过解析其自由态、GMP结合态及多底物复合物的晶体结构，首次全面揭示了该酶的动态催化构象图谱。研究人员结合X射线晶体学、等温滴定量热法(ITC)和酶动力学分析，阐明了钾离子(K+)在底物识别与磷酸转移中的双重调控机制，捕获了反应前状态(GMP/ATPyS)、过渡态(AlF4-模拟)和反应后状态(GDP/ADP)的关键构象，为开发靶向GDP合成的构象特异性抑制剂奠定了结构基础。

　　

在细胞生命活动中，核苷酸代谢如同城市的能源供应系统，而鸟苷酸激酶(GMPK)则是这个系统中负责GDP合成的"专属工程师"。作为唯一催化GMP磷酸化为GDP的酶，GMPK不仅参与抗病毒前药（如阿昔洛韦）的激活过程，更在ALK阳性非小细胞肺癌等肿瘤的代谢重编程中扮演关键角色。然而长期以来，科学家们对这个人源"工程师"的工作机制知之甚少——现有结构研究多集中在细菌、酵母和小鼠等模式生物，人源GMPK仅有一个溶液态核磁结构。这种认知空白严重阻碍了针对该靶点的药物开发，特别是在肿瘤代谢干预领域。

中国科学技术大学的研究团队在《Nature Communications》发表重要成果，首次全面解析了人源GMPK的催化构象图谱。研究人员采用多学科交叉策略：通过X射线晶体学获得2.8?分辨率的GMP/ATPyS预反应复合物结构；利用过渡态类似物AlF₄^-捕获催化中间态；结合ITC和NMR化学位移扰动(CSP)分析阐明了底物结合顺序与协同效应；辅以定点突变和酶动力学实验验证关键功能残基。研究还特别关注了临床样本中发现的耐药相关GMPK磷酸化现象。

GMP诱导GMPK结构域间运动
通过比较自由态与GMP结合态结构，发现GMP结合触发GMPBD结构域向CORE结构域的显著闭合运动（Cα-Cα距离缩短约5?）。关键残基S37、R41和E72构成的"分子铰链"调控这一构象变化，其中S37P突变通过限制运动使酶活性完全丧失。

钾离子的双重调控机制
在GMPK-GMP-K⁺复合物结构中首次观察到K⁺与S37、D101的配位网络。低浓度K⁺（7.5mM）通过稳定闭合构象增强GMP结合（K_d降低5倍），但高浓度（150mM）会破坏Mg²⁺结合位点，导致催化效率下降。这一发现解释了淋巴细胞（K⁺≈150mM）中GMPK活性受抑制的生理现象。

ATP/ADP识别的结构基础
ADP结合诱导LID结构域α5螺旋重排，其β-磷酸与P-loop（G14-S18）形成氢键网络。值得注意的是，GMP预结合可使ATPyS亲和力提高5倍（K_d从30μM降至6μM），这种协同效应通过R44的构象重排实现，为有序底物结合机制提供证据。

可逆磷酸转移的完整图谱
通过解析GMP/ATPyS（预反应）、GDP/ADP（后反应）及AlF₄^-（过渡态）复合物，首次描绘出GMPK催化循环的全景图。过渡态结构中，平面型AlF₄^-与S13、K17等残基形成氢键网络，支持"关联式"磷酸转移机制。核磁监测证实该反应平衡常数K_eq=2.04，与腺苷酸激酶相当。

这项研究不仅填补了人源GMPK催化机制的认识空白，更揭示了肿瘤细胞可能通过提高ATP/GMP浓度比驱动GDP合成的代谢漏洞。发现的GMPBD-CORE界面"可成药口袋"为开发抗肿瘤药物提供了新靶点。特别值得关注的是，GMPK在ALK抑制剂耐药细胞中出现的磷酸化上调现象，提示其可能成为克服肿瘤耐药性的新突破口。该成果为设计靶向不同催化状态的变构抑制剂奠定了坚实基础，对发展抗病毒和抗肿瘤双重活性的前药具有重要指导意义。