人葡萄糖-6-磷酸酶催化亞基1（hG6PC1）是葡萄糖代謝的關(guān)鍵酶，調(diào)控糖異生和糖原分解的共同終末步驟，直接影響能量代謝。hG6PC1的功能異?；蛲蛔儠?dǎo)致嚴(yán)重的代謝性遺傳病——Ⅰ型糖原貯積癥（GSD-1a）。此外，G6PC1活性升高與糖尿病中的葡萄糖代謝紊亂密切相關(guān)，因此成為治療糖代謝紊亂的重要靶點(diǎn)。
此前對同家族原核成員的結(jié)構(gòu)研究，揭示了兩親性磷脂樣底物的水解機(jī)制及產(chǎn)物結(jié)合模式，但由于缺乏不同構(gòu)象的結(jié)構(gòu)信息，該家族的誘導(dǎo)契合機(jī)制仍未闡明。同時，G6PC1的折疊模式與同家族其他成員截然不同，其如何介導(dǎo)親水性葡萄糖-6-磷酸（G6P）底物產(chǎn)生相似的去磷酸化作用，仍是一個未解之謎。此外，盡管已有研究揭示了G6PC1的部分催化機(jī)制，但其系統(tǒng)的分子機(jī)制尚不明確。
7月15日，中國科學(xué)院生物物理研究所研究員趙巖團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞發(fā)現(xiàn)》（Cell Discovery）上，發(fā)表了題為The induced-fit and catalysis mechanisms of human G6PC1的研究論文。
研究發(fā)現(xiàn)，盡管G6P和果糖-6-磷酸（F6P）分子結(jié)構(gòu)不同，但它們均結(jié)合在G6PC1的相似口袋中。關(guān)鍵殘基（如H176、R83、K76等）通過靜電相互作用和氫鍵網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)底物識別與催化過程，結(jié)合功能實(shí)驗(yàn)，研究人員驗(yàn)證了這些位點(diǎn)的準(zhǔn)確性。此外，研究人員識別了催化過程中的關(guān)鍵殘基，其中，H176作為親核攻擊位點(diǎn)，催化形成磷酸組氨酸中間體。E110可能通過中和R83、R170的靜電作用參與產(chǎn)物釋放，削弱Pi的結(jié)合。H119 可能提供質(zhì)子給G6P的橋氧原子，促進(jìn)磷酸酯鍵斷裂。底物的結(jié)合誘導(dǎo)G6PC1的構(gòu)象變化，使胞外域向膜方向移動，形成封閉的催化微環(huán)境。EL2 向活性中心旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步穩(wěn)定催化構(gòu)象。值得注意的是，底物結(jié)合口袋在不同底物結(jié)合狀態(tài)下展現(xiàn)出與其尺寸相適應(yīng)的顯著動態(tài)變化。
研究人員在由跨膜螺旋TM1、TM3和TM8包圍的區(qū)域觀察到脂分子密度，結(jié)合結(jié)構(gòu)分析與分子動力學(xué)模擬，鑒定該脂質(zhì)分子為磷脂酰絲氨酸（PS）。PS通過穩(wěn)定G6PC1的部分開放構(gòu)象，有效增強(qiáng)了其對G6P的結(jié)合能力和催化效率。關(guān)鍵位點(diǎn)如D254、T255的突變體幾乎完全喪失酶活性，但蛋白折疊不受影響，這有力證明了構(gòu)象的精確調(diào)控對于G6PC1的水解活性至關(guān)重要。
借助熒光尺寸排阻色譜等技術(shù)，研究人員系統(tǒng)探討了GSD-1a相關(guān)致病突變的分子機(jī)制。依據(jù)突變在蛋白結(jié)構(gòu)上的定位，可將其分為三類：第一類突變（如K76N、R83C、H119L）直接損害底物結(jié)合或催化過程，而E110K則削弱產(chǎn)物釋放；第二類突變位于胞外域，例如Q20R和T108I干擾糖基化修飾，C109Y破壞關(guān)鍵二硫鍵，導(dǎo)致蛋白錯誤折疊；第三類突變位于跨膜結(jié)構(gòu)域，如G270V和A274V通過引入空間位阻破壞跨膜螺旋的緊密堆積，L211P和L225P則因脯氨酸的剛性特性破壞α螺旋構(gòu)象，影響蛋白整體穩(wěn)定性。
綜上所述，該研究深入揭示了G6PC1識別不同底物、發(fā)生構(gòu)象變化以及進(jìn)行催化的分子基礎(chǔ)，并系統(tǒng)闡明了GSD-1a致病突變對酶功能的直接影響。此外，該研究首次報道了PS對G6PC1活性的調(diào)節(jié)作用。這些發(fā)現(xiàn)為針對GSD-1a的合理藥物設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，并基于PS結(jié)合位點(diǎn)構(gòu)建了藥物設(shè)計(jì)框架，從而為有效治療葡萄糖代謝紊亂開辟了廣闊前景。
研究工作得到科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃的支持。
論文鏈接
G6PC1未結(jié)合配體及結(jié)合不同配體的結(jié)構(gòu)
G6PC1催化底物水解機(jī)制模型
本文鏈接：研究揭示人源葡萄糖6磷酸酶的底物識別和誘導(dǎo)契合機(jī)制http://www.sq15.cn/show-12-1498-0.html
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