磷是構(gòu)成生命的基礎(chǔ)元素之一。細(xì)胞需要精確調(diào)控磷的水平，以維持能量代謝、核酸合成和信號(hào)傳導(dǎo)的穩(wěn)態(tài)。polyP是由高能磷酸單元串聯(lián)而成的長(zhǎng)鏈聚合物，可作為細(xì)胞內(nèi)的“能量?jī)?chǔ)備庫(kù)”和“緩沖池”，尤其在真核細(xì)胞中，它儲(chǔ)存于液泡/溶酶體，參與應(yīng)對(duì)壓力、維持離子平衡和調(diào)控細(xì)胞代謝。

在釀酒酵母中，VTC（vacuolar transporter chaperone）復(fù)合物是已知唯一負(fù)責(zé)合成polyP的酶。它不僅能感知細(xì)胞內(nèi)高磷信號(hào)（InsP6），還能利用ATP合成polyP，并將其轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡儲(chǔ)存。VTC身兼數(shù)職，集信號(hào)受體、合成酶和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白于一身，巧妙地耦聯(lián)了信號(hào)感知、產(chǎn)物合成與轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程【1,2】。而這個(gè)過(guò)程的核心調(diào)控，則依賴(lài)于一個(gè)輔助亞基——Vtc5。

近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)劉主教授課題組在Science China Life Sciences在線(xiàn)發(fā)表了題為Mechanistic insights into the regulation of polyphosphate polymerase VTC by the accessory subunit Vtc5的研究論文。該研究綜合運(yùn)用了冷凍電鏡（cryo-EM）、核磁共振（NMR）和單分子熒光共振能量轉(zhuǎn)移（smFRET）等多尺度手段，深入揭示了Vtc5調(diào)控VTC功能的分子奧秘。

研究團(tuán)隊(duì)首先利用細(xì)胞內(nèi)31P-NMR技術(shù)，精確測(cè)量了不同遺傳背景下液泡內(nèi)polyP的含量變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Vtc5能夠顯著增強(qiáng)VTC復(fù)合物的polyP合成能力，尤其是在缺少某些特定催化亞基的情況下，這種增強(qiáng)作用更為明顯（圖1A，B）。為了弄清Vtc5是如何發(fā)揮作用的，研究人員解析了Vtc5與VTC核心復(fù)合物（Vtc1/Vtc3/Vtc4）結(jié)合的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖1C）。有趣的是，Vtc5并不直接參與polyP通道的形成，而是像一個(gè)“守門(mén)員”一樣，通過(guò)其跨膜螺旋束穩(wěn)定地結(jié)合在核心復(fù)合物的外周。這一結(jié)構(gòu)定位得到了Pull-down實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞內(nèi)31P-NMR功能驗(yàn)證的支持。進(jìn)一步，通過(guò)smFRET技術(shù)分析（圖1D），研究人員觀(guān)察到了VTC內(nèi)部動(dòng)態(tài)變化(圖1E)：負(fù)責(zé)催化合成的亞基TTMVtc4在“非活化/遠(yuǎn)離通道入口”和“活化/貼近通道入口”兩種狀態(tài)間不斷切換。Vtc5的結(jié)合能夠部分穩(wěn)定TTMVtc4的活化狀態(tài)，而信號(hào)分子InsP6的加入則進(jìn)一步強(qiáng)化了這種定位。Vtc5和InsP6的作用疊加，使得VTC復(fù)合物整體構(gòu)象更有利于“合成—轉(zhuǎn)運(yùn)”過(guò)程的耦聯(lián)，從而顯著提高了polyP的合成效率。

圖1. Vtc5調(diào)控并穩(wěn)定VTC核心復(fù)合物的活化態(tài)構(gòu)象

該研究從分子層面解釋了Vtc5為何能在不依賴(lài)經(jīng)典InsP6信號(hào)的情況下增強(qiáng)VTC活性：它并非通道的一部分，而是通過(guò)外周結(jié)合的方式，穩(wěn)定了催化亞基在通道入口處的活化構(gòu)象。這一機(jī)制的揭示，不僅為理解真核細(xì)胞中polyP的代謝調(diào)控提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)證據(jù)，也為未來(lái)通過(guò)代謝工程改造VTC，例如構(gòu)建高效回收廢水中磷元素的工程藻類(lèi)【3】，提供了新的思路和靶點(diǎn)。

該論文的共同第一作者為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士生張杰、杜張萌，以及已畢業(yè)碩士生程夢(mèng)，劉主教授為論文通訊作者。廣州實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)生物成像平臺(tái)為電鏡數(shù)據(jù)收集提供了重要支撐。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的大力支持。

參考文獻(xiàn)：

1. Guan, Z. Y. et al. The cytoplasmic synthesis and coupled membrane translocation of eukaryotic polyphosphate by signal-activated VTC complex. Nature Communications 14 (2023).

2. Liu, W. et al. Cryo-EM structure of the polyphosphate polymerase VTC reveals coupling of polymer synthesis to membrane transit. Embo Journal 42 (2023).

3. Wang, L. et al. Engineering microalgae for water phosphorus recovery to close the phosphorus cycle. Plant Biotechnology Journal 21, 1373-1382 (2023).

論文連接：

https://www.sciengine.com/SCLS/doi/10.1007/s11427-025-3127-8