网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

PNAS背靠背丨看见酶在“干活”:刘冀珑团队解析CTP合酶连续催化构象,揭示GTP“效应循环”调控新范式

0
分享至


CTP合酶(CTPS)是经典生物化学教材中的“明星分子”,自1950年代以来已被持续研究近80年。它也是细胞内无膜细胞器“细胞蛇”(cytoophidium)的核心组分。长期以来,GTP被视作该酶的别构激活剂,但它并不通过水解提供能量,究竟如何参与并调控整个催化循环,始终是一个悬而未决的谜题。

2026年10月9日,上海科技大学刘冀珑教授团队在PNAS背靠背发表两篇研究论文,分别为:Reaction-based cryo-EM resolves the continuous conformational spectrum of CTP synthase catalysis 和GTP orchestrates CTP synthase via an allosteric effector-cycling mechanism 。他们以自主发展的“反应驱动冷冻电镜”技术,首次在天然底物条件下解析了CTPS从底物结合到产物释放的连续催化构象谱,并提出了全新的“GTP效应循环”模型。这项工作不仅将别构调控的范式从“静态占据”推进至“化学步骤驱动的效应物循环”,也为多步酶、别构酶和代谢复合物的动态结构研究提供了可推广的新方法。



值得一提的是,这项研究也是刘冀珑团队自2007年首次发现细胞蛇以来,历经现象描述、结构解析,最终在原子分辨率层面“从现象到机制”的关键性突破,为代谢酶动态调控研究开启了全新的机遇。

领域背景:一个悬而未决的别构调控谜题

CTP是RNA、DNA和磷脂合成的关键前体,CTPS是其从头合成的唯一酶。该酶包含两个功能迥异的结构域:N端Amidoligase(AL)结构域负责将UTP磷酸化,形成化学性质不稳定的中间体4-磷酸酰基-UTP(4Pi-UTP);C端Glutamine Amidotransferase(GAT)结构域则通过内部氨通道将氨分子传递至活性位点。GTP作为别构效应物,虽不水解供能,却对催化至关重要。然而,传统静态结构手段受限于不稳定中间体的捕捉和构象动态的快速转换,始终无法看清GTP在催化循环中的真实角色。

从“细胞蛇”到原子机制:一条跨越19年的研究主线

“细胞蛇”是CTPS等代谢酶在细胞内组装形成的无膜线状高级结构。2007年,刘冀珑教授在牛津大学建立独立实验室期间偶然观察到这一现象,并于2010年正式将其命名为“cytoophidium”。此后,该结构在细菌、酵母、古菌乃至人类细胞中均被证实存在,提示代谢酶组装具有跨物种的保守性。2016年,刘冀珑教授加盟上海科技大学后,不再仅将细胞蛇视为“奇怪的细胞现象”进行描述,而是从原子/近原子分辨率层面,回答它为何形成、如何形成,以及怎样反向调控催化与代谢,将研究重心从“看见细胞蛇”推向“用结构机制解释细胞蛇”。

方法突破:反应驱动冷冻电镜解析连续构象谱

在第一篇论文Reaction-based cryo-EM resolves the continuous conformational spectrum of CTP synthase catalysis中,团队提出了名为“反应驱动冷冻电镜”的方法学框架。与传统的抑制剂捕获或产物浸泡策略不同,研究人员在预反应(PRE)、反应中(RXN)和反应平衡(EQ)等定义明确的反应阶段直接制备冷冻电镜样品,并结合三维变异性分析(3DVA)与深度学习密度优化,从同一反应体系中成功解析出CTPS从底物结合、4Pi-UTP形成到反应终点的连续构象谱。

该技术的突破带来了三个关键发现:

1. 直接观察到不稳定中间体4Pi-UTP,证实了其在天然催化环境中的真实存在;

2. 捕捉到ATP/CTP共占据状态,这一状态在传统的产物浸泡结构中一直被忽略;

3. 磷酸化而非结合驱动构象关闭:利用不可水解ATP类似物进行的对照实验清晰表明,推动CTPS进入催化活性关闭状态的关键,是UTP磷酸化这一化学步骤本身,而非单纯的ATP绑定事件。


图1. 反应驱动冷冻电镜技术原理。

传统方法(上)多用抑制剂“定格”酶,只能拍到单一静态结构;新方法(下)加入全部底物,在真实反应中“直播”CTPS的连续构象变化,首次捕捉到不稳定中间体,看清了酶干活的完整动态过程。

机制突破:GTP作为“催化时钟”的效应循环模型

第二篇论文GTP orchestrates CTP synthase via an allosteric effector-cycling mechanism在连续构象谱的基础上,整合生化与突变分析(最高分辨率达2.0 Å),提出了一个全新的调控原理——“效应循环”(effector cycling)。

研究团队在34个结构状态中揭示,GTP在每一轮催化中严格经历“结合—稳定—解离”的完整循环,其功能更像是一个催化时钟而非简单的开/关开关:

1. GTP解离:酶处于开放状态,允许底物进入;

2. 4Pi-UTP形成:第一道检查点。该中间体的出现重塑GAT结构域,为GTP重新结合“发放许可”;

3. GTP结合并稳定:第二道检查点(GAT活性位点占据)就绪后,GTP被完全稳定,氨通道闭合,催化残基对齐;

4. CTP生成:酶回归开放态,GTP解离,进入下一轮反应。

这一模型表明,GTP的结合受到两个结构域状态的严格门控,其结合/解离动力学协调着双域间的化学反应。值得注意的是,GTP识别残基在三域生物(细菌、古菌、真核生物)中高度保守,提示“效应循环”是一种古老而普遍的代谢调控模式。


图2. GTP效应循环机制。

GTP不是简单的“开关”,而是“催化时钟”。CTPS催化中,GTP严格经历“结合-稳定-解离”循环,受两道检查点门控。这一“效应循环”揭示了代谢调控新范式,为近80年经典明星分子CTPS研究开启新机会。

领域意义:从静态到动态,从机制到靶点

两篇论文共同表明:CTPS的高效催化源于化学步骤与构象状态的紧密耦合,而非单一活性口袋的“开/关”切换。该工作为代谢酶动态机制研究提供了三重范式转变:

  • 方法学范式:反应驱动冷冻电镜为其他多步酶、别构酶和代谢复合物的动态研究提供了可推广的技术路线;

  • 概念范式:将别构调控从“静态占据”推进至“化学步骤驱动的效应物循环”,重塑了人们对代谢控制的认知;

  • 转化范式:鉴于CTPS在癌症、病毒感染和微生物致病机制中的重要作用,该模型提示别构界面——而不仅仅是活性位点——可作为高特异性药物设计的新靶点。

两篇论文的第一作者及共同通讯作者为郭陈君博士。他从本科至博士在上海科技大学学习与科研长达九年,自大二起加入刘冀珑教授团队,先后参与了细胞蛇、代谢纤维、配体抑制与催化动力学等多项研究。刘冀珑教授为通讯作者。

论文链接:

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2620271123;https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2620272123

制版人: 十一

学术合作组织

(*排名不分先后)



战略合作伙伴

(*排名不分先后)

推荐直播

转载须知


【非原创文章】本文著作权归文章作者所有,欢迎个人转发分享,未经作者的允许禁止转载,作者拥有所有法定权利,违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘


点击主页推荐活动

关注更多最新活动!


特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
1-9月社零数据出炉:汽车暴跌14.9%%,烟酒狂飙12.6%!钱到底去哪了?

1-9月社零数据出炉:汽车暴跌14.9%%,烟酒狂飙12.6%!钱到底去哪了?

即时刘说
2026-10-20 07:27:17
德比战5球惨败!曝英超首位下课主帅浮现 上任仅3个月

德比战5球惨败!曝英超首位下课主帅浮现 上任仅3个月

球事百科吖
2026-10-20 05:33:27
UFC冠军张伟丽发布妆后视频,一改硬核形象,变身甜妹

UFC冠军张伟丽发布妆后视频,一改硬核形象,变身甜妹

扬子晚报
2026-10-19 16:03:40
负债千亿!有省会城市地铁,开始暴雷了?

负债千亿!有省会城市地铁,开始暴雷了?

西部城市
2026-10-19 13:02:51
“旭日旗”事件通报第二天,他不但支持台独,还疑似公费留学?

“旭日旗”事件通报第二天,他不但支持台独,还疑似公费留学?

再战五百回合
2026-10-20 09:38:40
烂番茄38%却冲上全球第二,安雅新片打了谁的脸

烂番茄38%却冲上全球第二,安雅新片打了谁的脸

浅遇时光
2026-10-19 10:50:33
优衣库“抗日装”爆火,全网绷不住了哈哈哈

优衣库“抗日装”爆火,全网绷不住了哈哈哈

广告案例精选
2026-10-19 14:31:22
马斯克卷的不是参数,是人类从未实现过的可能性

马斯克卷的不是参数,是人类从未实现过的可能性

砺石商业评论
2026-10-19 10:25:07
陌生亲密性行为五年降幅76%!北大复旦联合调查结果显示,年轻人快餐关系遇冷,引发热议

陌生亲密性行为五年降幅76%!北大复旦联合调查结果显示,年轻人快餐关系遇冷,引发热议

火山詩话
2026-10-19 13:18:35
十个里能认识一半算你牛!40年前的老物件,最后一个就难住我了!

十个里能认识一半算你牛!40年前的老物件,最后一个就难住我了!

一口娱乐
2026-10-19 14:55:32
弱冷空气将自北向南影响广东全省!广州下周或再迎新冷空气

弱冷空气将自北向南影响广东全省!广州下周或再迎新冷空气

南方都市报
2026-10-20 11:41:46
宏大叙事救不了普通人的工资单

宏大叙事救不了普通人的工资单

文青大叔说
2026-10-18 11:28:22
中央亮剑!多地开启机关事业单位大整顿,这几类人受影响最大

中央亮剑!多地开启机关事业单位大整顿,这几类人受影响最大

职场资深秘书
2026-10-19 15:13:49
王俊杰NCAA疯狂砍下31分,赛后坦言:国家队教练打战术,大学教练让我做正确的事!

王俊杰NCAA疯狂砍下31分,赛后坦言:国家队教练打战术,大学教练让我做正确的事!

爱体育
2026-10-19 23:56:24
罕见立案!刘国梁事件持续升级!国际乒联正式调查!25岁孙颖莎紧急发文“切割”!国乒大整顿来了,一个都逃不掉

罕见立案!刘国梁事件持续升级!国际乒联正式调查!25岁孙颖莎紧急发文“切割”!国乒大整顿来了,一个都逃不掉

篮球热嗖
2026-10-20 10:53:26
马斯克给每个美国儿童送股票,我们的有钱人,忙着送自己的孩子出国

马斯克给每个美国儿童送股票,我们的有钱人,忙着送自己的孩子出国

走读新生
2026-10-20 06:25:11
中国大陆首次发现,广西深山现"日本独有兰",来源至今难解

中国大陆首次发现,广西深山现"日本独有兰",来源至今难解

万象硬核本尊
2026-10-19 15:05:04
为啥迟迟不解决台海?外媒:北京可能在等,等3大问题解决再动手

为啥迟迟不解决台海?外媒:北京可能在等,等3大问题解决再动手

凉湫瑾言
2026-10-19 19:32:41
OpenAI高管:蒸馏是中国AI模型紧跟美国的原因,大约占50%

OpenAI高管:蒸馏是中国AI模型紧跟美国的原因,大约占50%

西虹市闲话
2026-10-19 12:46:14
甘孜州纪委监委通报:一干部被查

甘孜州纪委监委通报:一干部被查

甘孜传媒
2026-10-20 12:06:28
2026-10-20 12:28:49
BioArt incentive-icons
BioArt
探索生物艺术之奥秘
11430文章数 18548关注度
往期回顾 全部

科技要闻

新版MiniMax,能和DeepSeek掰手腕吗?

头条要闻

媒体:菲律宾对中国的有些举动已经属于蹬鼻子上脸

头条要闻

媒体:菲律宾对中国的有些举动已经属于蹬鼻子上脸

体育要闻

从NBA退役10年后,他真去警局上班了

娱乐要闻

港媒曝刘恺威与32岁黎纪君恋情,秘密恋爱两个月

财经要闻

这些科技股王,为什么总输给茅台?

汽车要闻

方盒子家族再添新成员 捷途自由者7实车体验

态度原创

本地
亲子
游戏
健康
公开课

本地新闻

一场垂直登高赛跑出了"山城"的真正内核

亲子要闻

天然奶源如何进入配方科学,周鹏教授解析婴幼儿胃肠消化健康

PS5最新固件疑遭黑客攻破!《GTA6》或能直接运行

看着很健康的人,怎么会突然猝死?

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版