华中农业大学刘主课题组揭示细胞“能量储备库”调控新机制

磷是构成生命的基础元素之一。细胞需要精确调控磷的水平，以维持能量代谢、核酸合成和信号传导的稳态。polyP是由高能磷酸单元串联而成的长链聚合物，可作为细胞内的“能量储备库”和“缓冲池”，尤其在真核细胞中，它储存于液泡/溶酶体，参与应对压力、维持离子平衡和调控细胞代谢。

在酿酒酵母中，VTC（vacuolar transporter chaperone）复合物是已知唯一负责合成polyP的酶。它不仅能感知细胞内高磷信号（InsP6），还能利用ATP合成polyP，并将其转运至液泡储存。VTC身兼数职，集信号受体、合成酶和转运蛋白于一身，巧妙地耦联了信号感知、产物合成与转运过程【1,2】。而这个过程的核心调控，则依赖于一个辅助亚基——Vtc5。

近日，华中农业大学刘主教授课题组在Science China Life Sciences在线发表了题为Mechanistic insights into the regulation of polyphosphate polymerase VTC by the accessory subunit Vtc5的研究论文。该研究综合运用了冷冻电镜（cryo-EM）、核磁共振（NMR）和单分子荧光共振能量转移（smFRET）等多尺度手段，深入揭示了Vtc5调控VTC功能的分子奥秘。

研究团队首先利用细胞内31P-NMR技术，精确测量了不同遗传背景下液泡内polyP的含量变化。结果发现：Vtc5能够显著增强VTC复合物的polyP合成能力，尤其是在缺少某些特定催化亚基的情况下，这种增强作用更为明显（图1A，B）。为了弄清Vtc5是如何发挥作用的，研究人员解析了Vtc5与VTC核心复合物（Vtc1/Vtc3/Vtc4）结合的冷冻电镜结构（图1C）。有趣的是，Vtc5并不直接参与polyP通道的形成，而是像一个“守门员”一样，通过其跨膜螺旋束稳定地结合在核心复合物的外周。这一结构定位得到了Pull-down实验和细胞内³¹P-NMR功能验证的支持。进一步，通过smFRET技术分析（图1D），研究人员观察到了VTC内部动态变化(图1E)：负责催化合成的亚基TTMVtc4在“非活化/远离通道入口”和“活化/贴近通道入口”两种状态间不断切换。Vtc5的结合能够部分稳定TTMVtc4的活化状态，而信号分子InsP6的加入则进一步强化了这种定位。Vtc5和InsP6的作用叠加，使得VTC复合物整体构象更有利于“合成—转运”过程的耦联，从而显著提高了polyP的合成效率。

图1. Vtc5调控并稳定VTC核心复合物的活化态构象

该研究从分子层面解释了Vtc5为何能在不依赖经典InsP6信号的情况下增强VTC活性：它并非通道的一部分，而是通过外周结合的方式，稳定了催化亚基在通道入口处的活化构象。这一机制的揭示，不仅为理解真核细胞中polyP的代谢调控提供了关键的结构和动力学证据，也为未来通过代谢工程改造VTC，例如构建高效回收废水中磷元素的工程藻类【3】，提供了新的思路和靶点。

该论文的共同第一作者为华中农业大学生命科学技术学院博士生张杰、杜张萌，以及已毕业硕士生程梦，刘主教授为论文通讯作者。广州实验室先进生物成像平台为电镜数据收集提供了重要支撑。研究工作得到了国家自然科学基金等项目的大力支持。

参考文献：

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).

论文连接：

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