近日，上海科技大学生命科学与技术学院刘冀珑课题组在学术期刊eLife上在线发表研究论文，揭示了磷酸核糖焦磷酸合成酶（PRPS）以六聚体为基本单位聚合形成两种纤维状结构的组装机制（纤维状结构进一步聚合成束形成细胞蛇）。这是首次在体内和体外证实了原核生物中PRPS细胞蛇的存在。同时，这项研究也首次解析了PRPS纤维状结构的高分辨结构，揭示了纤维状结构调节PRPS的变构调控，表明纤维状结构的形成可能为细胞代谢提供更多层次的调控。
磷酸核糖焦磷酸盐(PRPP)是细胞多种代谢途径的重要中间体，它被用于嘌呤和嘧啶核苷酸、组氨酸和色氨酸以及辅因子NAD和NADP的生物合成。PRPP合成酶(PRPS)的异常调节与多种人类疾病相关。酶活性的降低可能导致如Arts综合征、非综合征性感音神经性耳聋2型、腓骨肌萎缩症5型和视网膜营养不良等神经系统疾病。活性升高则有可能导致神经感觉缺陷、高尿酸血症或痛风性关节炎。同时，人体中PRPS1或PRPS2的活性和表达异常也在结直肠癌、乳腺癌等多种癌症中观察到，并与复发性儿童急性淋巴细胞白血病治疗中的嘌呤耐药性相关。因此，PRPS的精确调控在代谢和生理方面具有十分重要的意义。
2010年，刘冀珑首次发现胞苷三磷酸合成酶（CTPS）在果蝇细胞中形成蛇状无膜细胞器，并将这种结构命名为“细胞蛇”。其团队后续发现并报道了CTPS在真核生物、原核生物以及古菌中都能形成细胞蛇。在芽殖酵母的全基因组筛选工作中，发现了包括CTP合成酶（CTPS）、IMP脱氢酶（IMPDH）、P5CS、PRPS等数十种代谢酶都能形成细胞蛇。人体中的CTPS1和IMPDH2聚合形成纤维状结构被证实可以使蛋白质对终产物抑制和变构抑制脱敏，表明它们在调节细胞内核苷酸水平方面的重要作用。而PRPS细胞蛇进化上的保守性暗示PRPS细胞蛇可能具有重要的生物学功能。此外，PRPS作为CTPS和IMPDH的上游酶，其形成纤维状结构调控酶的功能可能对核苷酸从头合成尤为重要。
虽然人源PRPS1以及枯草芽孢杆菌和大肠杆菌PRPS六聚体高分辨晶体结构已获得解析，但PRPS如何聚合成纤维状结构，以及对该酶活性的调控和生理功能仍然未知。本工作发现大肠杆菌PRPS可在体内形成细胞蛇，也可在体外多种孵育条件下形成单根纤维状结构。研究人员利用冷冻电镜解析了PRPS两种类型的纤维状结构，分辨率为2.3–2.9埃，从分子层面解析了PRPS纤维结构的配体结合和组装机制（图）。结果显示，PRPS两种类型纤维结构以六聚体为基本单位组装形成，并通过不同的相互作用界面保持稳定。
图：大肠杆菌PRPS两类纤维结构组装的示意图
（A）A 类纤维状结构六聚体配体结合模式；（B）B类纤维状状结构六聚体配体结合模式；
（C）A 类纤维状结构重构电子密度及模型；（D）B 类纤维状结构重构电子密度及模型。
该研究工作揭示了大肠杆菌PRPS通过非经典变构位点2调控其活性的新机制，拓展了我们对核苷酸生物合成关键步骤调控的理解，并为PRPS相关的人类疾病以及潜在的临床和工业应用提供了新的见解。
上海科技大学生命学院2020级博士研究生胡欢欢、2021级博士研究生路光明与博士后张家骏（已出站）为该论文的共同第一作者，刘冀珑教授为该论文的通讯作者。
论文标题：Filamentation modulates allosteric regulation of PRPS
论文链接：https://doi.org/10.7554/eLife.79552
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