PNAS：上海科技大学刘冀珑等发现GTP当“代币”，投一枚产一个CTP

三磷酸胞苷（CTP）是RNA的基本构建单元，在多种生物过程中发挥重要作用。CTP合酶（CTPS）是唯一已知的CTP从头合成酶。高效CTPS催化以剂量依赖性、非消耗性方式需要三磷酸鸟苷（GTP）；然而，GTP驱动CTP形成的精确机制仍不清楚。

2026年10月9日，上海科技大学刘冀珑和Chen-Jun Guo共同通讯在PNAS在线发表题为“GTP orchestrates CTP synthase via an allosteric effector–cycling mechanism”的研究论文。该研究将从活跃催化样品中捕获的一系列黑腹果蝇CTPS冷冻电镜结构与生化和诱变分析整合，获得分辨率高达2.0Å的34种不同CTPS状态。作者发现，GTP在每个催化循环中与CTPS结合并解离一次，从而使单个CTP分子的产生成为可能。

初始GTP参与需要AL结构域中4-磷酸尿苷三磷酸（4Pi-UTP）的形成，而GTP结合的完全稳定由GAT活性位点的占据促进。这两个检查点共同将GTP招募和稳定与两个结构域中的催化进程偶联，使得每个GTP结合–解离循环协调合成一个CTP分子。此外，GTP识别位点在生命三域中高度保守。这些发现为高效CTPS催化建立了一个全面的机制框架，并将“效应因子循环”——其中GTP在每个催化循环中经历必需的结合和解离，以调节多步催化过程中的一个中间步骤——定义为一种独特的变构调节模式。

CTP是RNA合成的基本构建单元。其细胞内浓度受到严格调控，以确保RNA和DNA的高效准确产生，这称为核苷酸稳态。除在核酸代谢中的作用外，CTP还在磷脂生物合成中发挥关键作用。在生物体中，CTP由CTP合酶（CTPS）从头合成。鉴于CTP的中心代谢作用，CTPS受到高度调控，并已成为自身免疫疾病、癌症以及由病毒、原核生物和原生动物引起的感染的潜在治疗靶点。此外，近期研究已揭示人CTPS1还具有蛋白质脱酰胺酶活性，在抗病毒先天免疫和DNA修复过程中发挥重要作用。

CTPS是一种多功能酶，由两个功能结构域组成：N端酰胺连接酶（AL）结构域和C端谷氨酰胺酰胺转移酶（GAT）结构域。CTPS通常利用谷氨酰胺作为氮供体。尽管已被广泛研究，CTPS高效催化CTP形成的精确分子机制仍不完全清楚。CTPS被认为通过三步反应机制从UTP和ATP合成CTP。酰胺连接酶（AL）结构域催化UTP的ATP依赖性激活，生成不稳定中间体4-磷酸UTP（4Pi-UTP）和ADP。谷氨酰胺酰胺转移酶（GAT）结构域催化谷氨酰胺水解，生成氨，并通过瞬时分子内隧道转移至AL结构域。随后氨在AL活性位点内攻击4Pi-UTP，产生最终产物CTP。

图1.ADP、4Pi-UTP、GTP和DON在2.0 Å分辨率下的CTPS结构（摘自PNAS ）

除底物谷氨酰胺、UTP和ATP外，GTP也是CTPS高效催化所必需的。然而，GTP参与CTPS催化循环的分子机制仍知之甚少。先前研究表明，GTP作为CTPS活性的关键调节因子，显著加速GAT结构域对谷氨酰胺的水解，同时协调两个功能结构域之间的催化。值得注意的是，GTP在反应期间不被消耗，并且其被CTPS识别具有高度特异性。在作者先前的工作中，作者提供了GTP与CTPS结合的直接分子证据，并证明GTP结合促进瞬时分子内运输隧道的形成，从而使不稳定氨中间体能够高效转移。矛盾的是，GTP结合还诱导GAT结构域催化腔关闭，从而抑制重复催化周转。这些观察表明，有效催化需要在GTP结合与解离之间精细调节的平衡。这种动态平衡的存在及其潜在分子基础仍不清楚。

在作者的配套研究中，作者采用基于反应的冷冻电镜策略，直接从使用天然底物进行催化的样品中解析果蝇CTPS构象的连续谱。这种方法产生了一系列高质量结构——从反应前状态经催化中间体到平衡状态——捕获了CTPS与GTP之间的动态相互作用。在此基础上，本工作将这些快照与生化分析以及额外高分辨率结构整合，包括一张2.0Å图，其揭示溶剂网络的组织和不稳定中间体的精确配位。总之，数据揭示GTP结合受两个检查点控制——AL结构域中4-磷酸UTP的形成，以及GAT活性位点被底物或催化中间体占据（其精确化学身份在当前图中无法解析）——并且GTP的完全稳定需要两个催化结构域均参与。这些发现使作者提出一种先前未被认识的变构调节模式，作者称之为效应因子循环，其中酶活性由反应循环期间变构效应因子GTP的循环结合和释放支配，而不是由变构位点的静态占据支配。

参考消息：https://doi.org/10.1073/pnas.2620272123