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、磷脂和ATP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，它可作为磷酸盐的储存库和细胞代谢的能量来源。PolyP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，浙江大学生命科学学院生物物理研究所田兵教授、周如鸿教授、赵烨教授和华跃进教授联合在Advanced Science杂志在线发表了题为“Structural Evolution of Bacterial Polyphosphate Degradation Enzyme for Phosphorus Cycling”的研究论文，且被选为封面文章（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，且影响了酶的结构、活性和热稳定性，揭示了酶的分子演化和细菌环境适应性上的潜在关系。

该研究通过解析多种细菌的PPX结构，发现结构域保守的PPX在二聚体结构上存在多样性。发现连接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长短进一步验证了该规律。那么该规律背后的分子机制是什么？通过多个复合物解析和计算生物学分析，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。

图1. ɑ-linker长度影响PPX结构和功能的分子机制

作者通过对极端微生物Deinococcus-Thermus门中的PPX序列比对、二级结构分析和AlphaFold 2的三维结构分析，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，能够更高效地利用磷酸盐和适应高温环境。同时，人工分子改造使ɑ-linker变短的酶，其活性和热稳定性也更高。因此，ɑ-linker可能在PPX演化和菌体环境适应性上起到重要作用。由此，该论文提出了一种基于ɑ-linker的蛋白结构演化模式，也为酶的理性设计和定向进化提供了借鉴。

图2. Deinococcus-Thermus门PPX中ɑ-linker长度的多样性及其对酶活性和热稳定性的影响

戴商博士为论文第一作者、博士后王斌强和博士生叶芮为论文共同第一作者，田兵教授、周如鸿教授、赵烨教授和华跃进教授为本文通讯作者。研究成果是逆境生物学、计算生物学和结构生物学研究领域的交叉成果。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家自主创新示范区上海张江重大专项、浙江大学上海高等研究院繁星计划基金等资助。