南科大刘晓天与合作者揭示真菌特异性GPIT复合体工作机制解析及其治疗潜力
日期:2025-10-21
近日,南方科技大学生命科学学院张明杰院士课题组研究副教授刘晓天与合作者在Advanced Science期刊发表题为“Molecular Insights into Fungal Glycosylphosphatidylinositol Transamidase Complex” 的研究论文。研究团队利用冷冻电镜三维重构技术解析了酿酒酵母糖基磷脂酰肌醇转酰胺酶复合体(GPIT)处于不同功能状态的高分辨率结构,揭示了其底物结合和抑制剂抑制机制以及构象变化,为理解GPIT的功能机制及物种间特异性差异提供了分子层面的框架,也为抗真菌药物的研发奠定了重要的结构基础。
图1. GPIT复合体单体/二聚体形式的冷冻电镜密度图
糖基磷脂酰肌醇(Glycosylphosphatidylinositol, GPI)是一种在真核生物中普遍存在的细胞表面蛋白锚定结构,在真菌生物学中发挥着关键作用,它能够将重要的结构蛋白和毒力因子锚定到细胞壁上。在真菌(包括许多重要的病原真菌)中,GPI锚定蛋白(GPI-anchored proteins, GPI-APs)构成了细胞壁中至关重要的甘露糖蛋白层,其中包含多种主要的毒力因子,如粘附素(adhesins)和侵袭素(invasins)。鉴于GPI在真菌的粘附、毒力、细胞壁完整性及生存方面具有不可或缺的作用,GPI生物合成途径已成为抗真菌药物(antimycotics)研发的一个重要靶点。
在本研究中,研究团队展示了一系列通过冷冻电镜技术获得的真菌GPI转酰胺酶复合体(GPIT) 处于不同功能状态下的结构信息,包括:与 GPI锚定结构结合的GPIT、与底物模拟肽结合的GPIT,以及一种前所未见的二聚化GPIT组装形式。研究明确了GPI锚定结构结合位点的精确组成。该位点由Gab1 和Gpi16 两个亚基贡献的极性残基与疏水残基共同构成,是GPIT复合体中进化上最为保守的区域,凸显了其在酶功能中的关键作用。在蛋白质底物识别方面,先前研究强调了哺乳动物系统中人源hPIGT(即酵母yGpi16 的对应蛋白)的跨膜螺旋(TM helix)的重要性;然而,我们的数据表明,至少在酵母GPIT中,位于该跨膜螺旋上游的一个此前未被表征的残基——yGpi16的Y550位点残基在底物结合中发挥更为关键的作用。虽然 C端信号肽(CSP)的设计包含了包含ω位切割位点的连接区域,但该片段在Gpi8 催化活性位点的冷冻电镜密度图中并未得到解析,可能因其构象柔性较高而未被解析。未来若采用具有更高结合亲和力的底物,或可帮助稳定该区域,从而更清晰地观察其与催化位点的相互作用。值得注意的是,尽管先前研究强调了GPIT复合体的二聚化功能组装形式,但本研究首次从结构上阐明了这一多聚体状态。出乎意料的是,我们的结构揭示了一种由跨膜螺旋相互作用介导的全新二聚化界面,而非之前预测的Gpi8–Gpi8直接相互作用界面,提示了一种新颖的高级复合体组装模式。未来还需进一步研究,以全面理解该寡聚化组装形式在体内的功能机制。
结构还揭示了保守的结构特征以及与人类GPIT复合体之间的显著差异。团队发现了真菌特异性的亚基间相互作用界面适应性改变,以及与人类GPIT不同的独特糖基稳定结构。此外,催化亚基yGpi8的锚定模式显示出显著差异:在人类中,PIGK催化亚基在复合体中处于稳定定位状态,而我们的数据显示,yGpi8则表现出显著的动态结合特性,并且我们还捕捉到了 yGpi8完全缺失的结构状态。此外,我们鉴定出一个在真菌中高度保守的环区结构——yGpi8 Linker1,该结构在 yGpi8的定位与稳定中发挥关键作用。重要的是,我们的发现表明,在人类GPIT中,hPIGK的C端跨膜螺旋的结合在空间上阻碍了真菌GPIT中所观察到的二聚化模式,提示物种间四级结构组织的差异,这可能是导致真菌与人类GPIT功能分化的重要原因。
综上所述,本研究对真菌GPIT复合体进行了全面的结构与功能解析,阐明了其分子架构、底物互作机制以及物种特异性特征。这些发现不仅加深了我们对GPIT进化与功能的理解,还为未来研究(包括针对真菌特异性治疗干预中靶向GPIT的潜在策略)建立了重要的结构基础。
南方科技大学生命科学学院研究副教授刘晓天,华中科技大学基础医学中心张敏副教授、于洪军教授为论文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委、深圳市医学科学院、南方科技大学冷冻电镜中心的资金和技术支持。
论文链接:https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202511340
来源:生命科学学院
文字:刘晓天
编辑:李沐涵
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