磷是生命起源过程中的重要元素之一，在生命体系中的作用非常广泛，是构成核酸、磷脂、磷酸酯等生物分子的重要组成部分。多聚磷酸盐（polyphosphate, polyP）是由几个到上个磷酸盐残基通过高能磷酸酐键连接而成的聚合物。PolyP 在不同类型生物中广泛存在，可作为磷酸盐的储存库和细胞代谢的能量来源，其降解代谢主要依赖多聚磷酸盐外切酶（exopolyphosphatase, PPX），然而PPX的底物作用分子机制和结构进化尚不清楚。
2024年4月29日，浙江大学定量生物中心周如鸿教授和浙江大学生命科学学院田兵教授、赵烨教授和华跃进教授在Advanced Science发表题为“Structural Evolution of Bacterial Polyphosphate Degradation Enzyme for Phosphorus Cycling”的论文（https://doi.org/10.1002/advs.202309602），并被选为封面文章（Front cover）。该研究发现了一种基于结构域之间ɑ-linker的细菌PPX结构演化机制，即ɑ-linker的长度在不同细菌间存在多样性，且影响酶的结构、活性和热稳定性，并揭示了酶的分子演化和细菌环境适应性的潜在关系。
该研究通过解析多种细菌的PPX晶体结构，发现结构域保守的PPX在二聚体结构上存在多样性。连接N端和C端结构域的一段刚性ɑ-linker在不同物种PPX结构中的长度存在差异，影响了其四级结构，即liner越短，二聚体的蛋白-蛋白相互作用界面越大，导致更紧密的二聚体构型。研究发现，PPX的 ɑ-linker越短，其降解polyP酶活性越高。同时，通过人工改造ɑ-linker的长短进一步验证了该规律。那么背后的分子机制是什么？通过多个复合物晶体解析和计算生物学分析，研究人员发现底物polyP结合在位于N端结构域结合口袋的两个Loop之间，分子动力学模拟发现ɑ-linker越短，N端结构域和C端结构域互作越强，同时polyP在口袋中结合得更紧密。
通过对极端微生物Deinococcus-Thermus门的PPX进行序列比对、二级结构分析和AlphaFold 2三维结构分析，研究人员发现不耐热的Deinococcus 细菌中PPX的ɑ-linker较长；而嗜热细菌PPX中的ɑ-linker普遍较短且具有更强的酶活性和热稳定性，能更高效地利用磷酸盐，适应高温环境。同时，人工分子改造使ɑ-linker变短，其对应的酶活性和热稳定性也有所提高。因此，ɑ-linker可能在PPX演化和菌体环境适应性中起重要作用。在此基础上，研究人员提出了一种基于ɑ-linker的蛋白结构演化模式，并为酶的理性设计和定向进化提供了借鉴。
该研究是逆境生物学、计算生物学和结构生物学研究的交叉成果，得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江大学上海高等研究院繁星计划基金等资助。
