赵岩研究组揭示人源葡萄糖6磷酸酶的底物识别和诱导契合机制

　　在能量代谢中，葡萄糖是绝大多数生物最根本的能量来源，其稳态通过糖原合成、糖原分解、糖酵解和糖异生等多种途径严格调控。其中，糖原分解和糖异生分别负责从糖原和丙酮酸合成葡萄糖，这对禁食期间维持葡萄糖水平至关重要，尤其是对几乎完全依赖葡萄糖的大脑等组织。这些过程的紊乱会直接导致血糖水平失衡，从而引发低血糖或糖尿病等代谢性疾病。

　　人葡萄糖-6-磷酸酶催化亚基1（hG6PC1）是葡萄糖代谢的关键酶，调控糖异生和糖原分解的共同终末步骤，直接影响能量代谢。hG6PC1的功能异常或突变会导致严重的代谢性遗传病--Ⅰ型糖原贮积症（GSD-1a）。此外，G6PC1活性升高与糖尿病中的葡萄糖代谢紊乱密切相关，因此成为治疗糖代谢紊乱的重要靶点。

　　尽管过去对同家族原核成员的结构研究揭示了两亲性磷脂样底物的水解机制及产物结合模式，但由于缺乏不同构象的结构信息，该家族的诱导契合机制仍未阐明。此外，G6PC1的折叠模式与同家族其他成员截然不同，其如何介导亲水性葡萄糖-6-磷酸（G6P）底物产生相似的去磷酸化作用，仍是一个未解之谜。尽管已有研究揭示了G6PC1的部分催化机制，但其系统的分子机制尚不明确。

　　2025年7月15日，中国科学院生物物理研究所赵岩团队在《Cell Discovery》在线发表题为"The induced-fit and catalysis mechanisms of human G6PC1"的研究论文。该研究报道了hG6PC1在无配体结合状态下的开放构象（apo结构），以及分别结合底物G6P和果糖-6-磷酸（F6P）的部分开放构象复合物结构，并解析了结合产物磷酸根的开放构象复合物结构（图1）。这些发现揭示了G6PC1识别及催化不同底物的结构基础，描绘了酶-底物诱导契合的动态过程，并为磷脂酰丝氨酸（PS）调控G6PC1活性的潜在机制提供了新见解。

图1. G6PC1未结合配体及结合不同配体的结构

　　尽管G6P和F6P分子结构不同，但它们均结合在G6PC1的相似口袋中。关键残基（如H176、R83、K76等）通过静电相互作用和氢键网络介导底物识别与催化过程，结合功能实验，研究人员验证了这些位点的准确性。此外，研究人员识别了催化过程中的关键残基，其中，H176作为亲核攻击位点，催化形成磷酸组氨酸中间体。E110可能通过中和R83、R170的静电作用参与产物释放，削弱Pi的结合。H119 可能提供质子给 G6P 的桥氧原子，促进磷酸酯键断裂。底物的结合诱导G6PC1的构象变化，使胞外域（ECD）向膜方向移动，形成封闭的催化微环境。EL2 向活性中心旋转，进一步稳定催化构象。值得注意的是，底物结合口袋在不同底物结合状态下展现出与其尺寸相适应的显著动态变化。

　　此外，研究人员在由跨膜螺旋TM1、TM3和TM8包围的区域观察到脂分子密度，结合结构分析与分子动力学模拟，鉴定该脂质分子为磷脂酰丝氨酸（PS）。PS通过稳定G6PC1的部分开放构象，有效增强了其对G6P的结合能力和催化效率。关键位点（如D254、T255）的突变体几乎完全丧失酶活性，但蛋白折叠不受影响，这有力证明了构象的精确调控对于G6PC1的水解活性至关重要。

　　最后，借助荧光尺寸排阻色谱（F-SEC）等技术，研究人员系统探讨了Ⅰ型糖原贮积症（GSD-1a）相关致病突变的分子机制。依据突变在蛋白结构上的定位，可将其分为三类：第一类突变（如K76N、R83C、H119L）直接损害底物结合或催化过程，而E110K则削弱产物释放；第二类突变位于胞外域（ECD），例如Q20R和T108I干扰糖基化修饰，C109Y破坏关键二硫键，导致蛋白错误折叠；第三类突变位于跨膜结构域（TMD），如G270V和A274V通过引入空间位阻破坏跨膜螺旋的紧密堆积，L211P和L225P则因脯氨酸的刚性特性破坏α螺旋构象，影响蛋白整体稳定性。

　　综上所述，该研究深入揭示了G6PC1识别不同底物、发生构象变化以及进行催化的分子基础，并系统阐明了GSD-1a致病突变对酶功能的直接影响。此外，该研究首次报道了 PS 对 G6PC1 活性的调节作用。这些发现为针对 GSD-1a 的合理药物设计提供了基础，并基于 PS 结合位点构建了药物设计框架，从而为有效治疗葡萄糖代谢紊乱开辟了广阔前景。

图2. G6PC1催化底物水解机制模型

　　中国科学院生物物理研究所赵岩研究员为该论文的通讯作者，中国科学院生物物理研究所博士生陈琦浩、王宇航、黎仁杰为共同第一作者。此外，中国科学院生物物理研究所博士生白秦儒也为该研究提供了帮助。该研究得到科技创新2030"脑科学与类脑研究"重大项目、国家重点研发计划项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划和国家自然科学基金的资助。冷冻电镜数据收集得到北京大学现代农业研究院生物微观结构研究平台的技术支持。

　　文章链接：

　　https://www.nature.com/articles/s41421-025-00814-z

　　院英文网报道链接：

　　https://english.cas.cn/newsroom/research_news/life/202507/t20250723_1048441.shtml

（供稿：赵岩研究组）