《Nature Communications》：Structural and molecular basis for allosteric regulation and catalytic coupling of human phosphoribosylformylglycinamidine synthase
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研究人员针对肿瘤等疾病中常被重编程的、作为关键治疗靶点的嘌呤从头合成途径，开展了对其中枢酶——人类磷酸核糖甲酰甘氨脒合酶（FGAMS）的结构与功能研究。通过冷冻电镜技术，团队成功捕获了该酶催化的亚氨基磷酸中间体，揭示了连接其谷氨酰胺酶与合酶结构域的氨通道，并阐明了驱动结构域间别构调节与催化偶联的分子特征与瞬时构象变化。该研究解决了该类酶长期悬而未决的多个机制问题，为相关疗法开发奠定了坚实基础。
嘌呤核苷酸是生命活动中无处不在的关键分子，其从头合成途径是细胞的必需代谢依赖。这条通路在癌症等多种疾病中经常被异常重编程，因此也成为了化疗、免疫调节和抗病毒药物领域中一个久经验证的治疗靶标。然而，这条复杂合成路径中许多关键酶的详细工作机制，尤其是多结构域酶如何通过精密的分子协作高效完成催化，一直是待解的谜题。人类磷酸核糖甲酰甘氨脒合酶（phosphoribosylformylglycinamidine synthase， FGAMS）正是这条途径中的一个核心多功能酶，它不仅是构成“嘌呤体”（purinosome）这一代谢区室化结构的基础元件，其内部两个催化结构域（谷氨酰胺酶结构域与合酶结构域）之间如何实现别构调控（allosteric regulation）与催化偶联（catalytic coupling），更是理解整个途径调控的关键。为了揭开这些机制的神秘面纱，并为针对该酶的药物设计提供精确的蓝图，研究人员展开了一项深入的结构生物学探索。
这项研究主要运用了单颗粒冷冻电子显微镜（cryo-electron microscopy， cryo-EM）技术来解析人类FGAMS酶在不同状态下的高分辨率三维结构。研究人员通过对纯化后的酶蛋白样品进行冷冻电镜数据采集、图像处理和三维重构，获得了一系列关键的结构快照。这些结构数据，辅以深入的生物化学分析，构成了本研究的核心。
研究结果通过一系列结构揭示了FGASA的分子细节：
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整体结构与氨通道的发现：研究解析了人类FGAMS的全长结构，首次在原子水平上观察到一个连接其谷氨酰胺酶（glutaminase）活性中心和合酶（synthase）活性中心的内部氨（NH3）通道。这一物理通道的发现，从结构上解释了由谷氨酰胺水解产生的氨如何被有效定向运输至合酶活性中心参与后续反应，是实现催化偶联的关键结构基础。
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反应中间体的捕获：研究人员成功捕获了酶催化循环中一个长期假设但从未被直接观察到的“亚氨基磷酸中间体”（iminophosphate intermediate）。这一发现为FGAMS催化的具体化学反应步骤提供了直接的结构证据，验证并完善了其催化机制模型。
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别构调节与构象变化的机制：通过对不同功能状态（如底物结合、产物结合状态）的结构进行比较分析，研究揭示了驱动FGAMS各个结构域之间协同工作的分子特征。研究观察到了底物结合所诱导的瞬时构象变化，这些变化通过别构信号网络在不同结构域间传递，从而精确调控谷氨酰胺酶活性与合酶活性的时序性配合，实现了高效的催化偶联。
该研究最终得出结论，它通过高分辨率的冷冻电镜结构，首次可视化了人类FGAMS酶的氨通道和关键反应中间体，从原子层面阐明了其多结构域间通过别构通讯实现催化偶联的分子机制。这项工作一举解决了关于FGAMS酶氨源传递、中间体状态和结构域协同等数个长期存在的机制性问题。这些发现不仅极大地增进了我们对嘌呤从头合成这一基础生命过程的理解，更重要的是，它为针对FGAMS这一已在癌症等多种疾病中被验证的靶点进行合理化药物设计（rational drug design）提供了前所未有的结构基础。通过靶向该酶新揭示的别构位点或通道界面，未来有望开发出更具选择性和有效性的新型治疗策略。相关研究成果已发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。
