近日，上海科技大学生命科学与技术学院刘冀珑教授团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）“背靠背”发表两篇研究论文，以自主发展的“反应驱动冷冻电镜”（reaction-based cryo-EM）技术，系统解析 CTP 合酶（CTP synthase, CTPS）在天然底物条件下的连续催化构象，并提出“GTP 效应循环”这一新型别构调控机制。
CTP是RNA、DNA与磷脂合成的关键前体，CTPS是其从头合成的唯一酶。该酶包含N端Amidoligase（AL）与C端Glutamine Amidotransferase（GAT）两个结构域，催化过程涉及不稳定中间体4-磷酸酰基-UTP（4Pi-UTP）、氨通道转移及别构分子GTP的参与。“细胞蛇”（cytoophidium）是CTPS等代谢酶在细胞内形成的一类无膜线状高级组装结构。2007年，刘冀珑教授在牛津大学建立独立实验室后首次观察到这一现象；2010年，他发表论文正式将其命名为“cytoophidium”，此后该结构在细菌、酵母、古菌及人源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，进一步从原子/近原子分辨率结构出发，回答细胞蛇为什么形成、怎样形成、又如何反过来影响催化与代谢调控。团队研究重心从“看见细胞蛇”推进到“用结构机制解释细胞蛇”，也为后来CTP合酶反应驱动冷冻电镜与GTP效应循环工作埋下主线。
PNAS论文一“Reaction-based cryo-EM resolves the continuous conformational spectrum of CTP synthase catalysis（反应驱动冷冻电镜解析CTP合酶催化连续构象谱）”提出了方法学框架：在预反应（PRE）、反应中（RXN）、反应平衡（EQ）等阶段直接制备冷冻电镜样品，结合三维变异性分析（3DVA）与深度学习密度优化，从同一反应体系中解析CTPS从底物结合、4Pi-UTP形成到反应终点的连续构象谱，并直接观察到传统产物浸泡结构中被忽略的ATP/CTP共占据状态。以非水解ATP类似物作对照，研究进一步证明：推动构象关闭的关键是“ATP对UTP的磷酸化”，而非单纯的ATP结合。
图1. 反应驱动冷冻电镜技术原理。
PNAS论文二“GTP orchestrates CTP synthase via an allosteric effector-cycling mechanism（GTP通过变构效应循环机制调控CTP合酶）”在构象谱基础上整合生化与突变分析，最高分辨率达2.0 Å，提出“效应循环”（effector cycling）模型：GTP并非静态别构开关，而是在每一轮催化中经历“结合稳定解离”。4Pi-UTP的形成构成第一道检查点，GAT活性位点的占据构成第二道检查点；唯有两域均就绪，GTP才被完全稳定，氨通道闭合；最终产物CTP生成后酶回归开放态，GTP解离，进入下一轮反应。GTP识别残基在三域生物中高度保守，提示该机制具有古老而普遍的代谢调控意义。
图2. GTP效应循环机制。
两篇论文共同表明：CTPS的催化效率来自化学步骤与构象状态的耦合，而非单一活性口袋的“开/关”。该方法也为其他多步酶、别构酶和代谢复合物提供了可推广的动态结构研究范式。由于CTPS与癌症、病毒感染及微生物致病机制相关，GTP效应循环模型提示别构界面——而不仅仅是活性位点——可作为药物设计的新靶点。
两篇论文的第一作者及共同通讯作者郭陈君博士。他从本科到博士在上海科技大学学习九年，自大二开始加入刘冀珑教授团队，致力于CTPS和其他代谢酶的结构与代谢调控研究。刘冀珑教授为通讯作者。该项工作相关结构数据已存入PDB与EMDB。
论文链接：
1. Reaction-based cryo-EM resolves the continuous conformational spectrum of CTP synthase catalysis
https://doi.org/10.1073/pnas.2620271123
2. GTP orchestrates CTP synthase via an allosteric effector-cycling mechanism
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