2025-07-28 Nature Communications | 中国科大系统解析人源鸟苷酸激酶的催化机制

　　

核苷酸代谢是细胞功能的核心基石。细胞内核苷酸合成主要通过两大途径：从头合成及再利用现有核苷的补救途径。这两条途径最终产生核苷一磷酸（NMPs），随后在核苷一磷酸激酶（NMPKs）催化下磷酸化为核苷二磷酸（NDPs）。鸟苷酸激酶（GMPK）作为催化GMP向GDP转移磷酸基的唯一已知酶，在GDP合成中具有不可替代的作用。最新研究发现，ALK阳性的非小细胞肺癌的生长对GMPK敏感，GMPK介导的代谢重编程可能导致靶向治疗的获得性耐药。因此，系统解析GMPK在GDP合成代谢中的催化功能及其依赖因素，对于靶向干预GMPK至关重要。

2025年7月25日，中国科学技术大学阮科教授、刘行教授、高佳副研究员与安徽医科大学杜瀛瀛主任合作在Nature Communications 杂志上发表了题为“Comprehensive profiling of the catalytic conformations of human Guanylate kinase”的研究论文。该工作通过解析不同底物结合状态下人源鸟苷酸激酶的高分辨率晶体结构，并结合酶动力学实验，系统阐明了GMPK识别底物与催化磷酸转移的分子机制，为未来设计构象特异性的分子探针奠定了研究基础。

研究人员首先利用核磁共振化学位移扰动（CSP）技术和晶体学方法，确定GMPK包含三个结构域：GMP结合结构域（GMPBD）、盖子结构域（LID）和核心结构域（CORE）。GMP的结合诱导GMPBD发生构象变化。通过对限制GMPBD构象变化的突变体S37P进行CSP分析，发现GMP优先结合GMPBD，进而驱动GMPK从开放构象转变为闭合构象。

进一步研究发现，体外等温滴定量热（ITC）实验测得的结合亲和力与细胞内GMP含量存在不匹配现象。深入探究表明，钾离子在GMPK催化过程中促进底物GMP的结合，且催化速率随钾离子浓度增加呈先升高后降低的双相变化特征。最终，通过解析GMPK-GMP-K⁺三元复合物结构，揭示了钾离子结合于GMPBD与CORE结构域界面，通过扭转Walker B基序中101位天冬氨酸（Asp101）残基的构象，从而发挥双相调节作用的分子机制。

研究人员还通过晶体学和磁共振实验，揭示了ATP的结合位点及其识别的关键氨基酸残基，并发现ATP的结合引起LID结构域内螺旋的相对取向变化。实验同时鉴定出硫酸根离子能够与ATP竞争性结合GMPK。通过解析GMPK与GMP、ATP类似物（ATPγS）形成的反应前复合物结构，并结合竞争性ITC实验，发现GMP预先结合GMPK能够诱导LID结构域闭合，促进ATP结合位点的形成，进而增强ATP的结合。

最后，研究人员解析了反应后复合物结构，证实GMPK能够催化可逆的磷酸转移反应。基于此，他们提出GMPK可能采用缔合机制（associative mechanism）进行催化。为验证此假说，进一步解析了利用四氟铝酸盐（AlF??）离子模拟过渡态的高分辨率晶体结构（分辨率分别为1.75 ?和1.80 ?），清晰揭示了磷酸转移过程中γ-磷酸基形成平面状过渡态的构象特征，为可逆磷酸转移机制提供了直接的结构证据。

综上所述，该研究系统揭示了GMPK采用随机有序机制（random-order mechanism）结合GMP与ATP。在此过程中，GMPK倾向于优先结合GMP，诱导GMPBD闭合，进而促进LID结构域闭合，形成ATP结合位点并完成反应前复合物的组装。在磷酸转移步骤中，GMPK采用缔合机制催化可逆反应。该工作系统阐明了GMPK的催化机制及其底物依赖的构象变化特征，为未来设计靶向GMPK不同构象状态的特异性化学探针奠定了坚实基础。

中国科学技术大学阮科教授、刘行教授、高佳副研究员与安徽医科大学杜瀛瀛主任为本文共同通讯作者；汪磊博士为本文第一作者。该研究还得到了中国科学技术大学施蕴渝教授、潘跃银教授、光寿红教授、张家海高级工程师、李福东副教授、吕梦琪副研究员，以及华中科技大学赵玉政教授的帮助与支持，并获得了国家自然科学基金委、国家重点研发计划以及科大“新医学”联合基金等项目的经费支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-61732-y