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

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

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