華中農業大學劉主課題組揭示細胞“能量儲備庫”調控新機制

磷是構成生命的基礎元素之一。細胞需要精確調控磷的水平，以維持能量代謝、核酸合成和信號傳導的穩態。polyP是由高能磷酸單元串聯而成的長鏈聚合物，可作為細胞內的“能量儲備庫”和“緩沖池”，尤其在真核細胞中，它儲存于液泡/溶酶體，參與應對壓力、維持離子平衡和調控細胞代謝。

在釀酒酵母中，VTC（vacuolar transporter chaperone）復合物是已知唯一負責合成polyP的酶。它不僅能感知細胞內高磷信號（InsP6），還能利用ATP合成polyP，并將其轉運至液泡儲存。VTC身兼數職，集信號受體、合成酶和轉運蛋白于一身，巧妙地耦聯了信號感知、產物合成與轉運過程【1,2】。而這個過程的核心調控，則依賴于一個輔助亞基——Vtc5。

近日，華中農業大學劉主教授課題組在Science China Life Sciences在線發表了題為Mechanistic insights into the regulation of polyphosphate polymerase VTC by the accessory subunit Vtc5的研究論文。該研究綜合運用了冷凍電鏡（cryo-EM）、核磁共振（NMR）和單分子熒光共振能量轉移（smFRET）等多尺度手段，深入揭示了Vtc5調控VTC功能的分子奧秘。

研究團隊首先利用細胞內31P-NMR技術，精確測量了不同遺傳背景下液泡內polyP的含量變化。結果發現：Vtc5能夠顯著增強VTC復合物的polyP合成能力，尤其是在缺少某些特定催化亞基的情況下，這種增強作用更為明顯（圖1A，B）。為了弄清Vtc5是如何發揮作用的，研究人員解析了Vtc5與VTC核心復合物（Vtc1/Vtc3/Vtc4）結合的冷凍電鏡結構（圖1C）。有趣的是，Vtc5并不直接參與polyP通道的形成，而是像一個“守門員”一樣，通過其跨膜螺旋束穩定地結合在核心復合物的外周。這一結構定位得到了Pull-down實驗和細胞內31P-NMR功能驗證的支持。進一步，通過smFRET技術分析（圖1D），研究人員觀察到了VTC內部動態變化(圖1E)：負責催化合成的亞基TTMVtc4在“非活化/遠離通道入口”和“活化/貼近通道入口”兩種狀態間不斷切換。Vtc5的結合能夠部分穩定TTMVtc4的活化狀態，而信號分子InsP6的加入則進一步強化了這種定位。Vtc5和InsP6的作用疊加，使得VTC復合物整體構象更有利于“合成—轉運”過程的耦聯，從而顯著提高了polyP的合成效率。

圖1. Vtc5調控并穩定VTC核心復合物的活化態構象

該研究從分子層面解釋了Vtc5為何能在不依賴經典InsP6信號的情況下增強VTC活性：它并非通道的一部分，而是通過外周結合的方式，穩定了催化亞基在通道入口處的活化構象。這一機制的揭示，不僅為理解真核細胞中polyP的代謝調控提供了關鍵的結構和動力學證據，也為未來通過代謝工程改造VTC，例如構建高效回收廢水中磷元素的工程藻類【3】，提供了新的思路和靶點。

該論文的共同第一作者為華中農業大學生命科學技術學院博士生張杰、杜張萌，以及已畢業碩士生程夢，劉主教授為論文通訊作者。廣州實驗室先進生物成像平臺為電鏡數據收集提供了重要支撐。研究工作得到了國家自然科學基金等項目的大力支持。

參考文獻：

1. Guan, Z. Y. et al. The cytoplasmic synthesis and coupled membrane translocation of eukaryotic polyphosphate by signal-activated VTC complex. Nature Communications 14 (2023).

2. Liu, W. et al. Cryo-EM structure of the polyphosphate polymerase VTC reveals coupling of polymer synthesis to membrane transit. Embo Journal 42 (2023).

3. Wang, L. et al. Engineering microalgae for water phosphorus recovery to close the phosphorus cycle. Plant Biotechnology Journal 21, 1373-1382 (2023).

論文連接：

https://www.sciengine.com/SCLS/doi/10.1007/s11427-025-3127-8