PNAS丨于洪军/彭鹏团队合作揭示真菌GPI甘露糖基化机制并开发关键化学工具|pnas|于洪军|亚基|化学|彭鹏|甘露|真菌|糖基化

侵袭性真菌感染每年直接导致超过 200 万人死亡，已成为严重威胁人类健康的重大临床挑战【1】。由于临床可用抗真菌药物种类有限以及耐药性日益加剧，传统抗真菌治疗面临显著瓶颈【2】。在此背景下，真菌糖基磷脂酰肌醇（ glycosylphosphatidylinositol ， GPI ）生物合成通路因其对真菌存活与致病至关重要，正成为备受关注的新兴治疗靶点。该通路生成的 GPI 锚定蛋白（ GPI-anchored proteins ）是真菌细胞表面和细胞壁的重要组成部分，广泛参与细胞壁构建与稳态维持、宿主黏附与组织侵袭以及毒力调控等关键过程。目前，多个靶向 GPI 生物合成通路的候选药物已进入研发阶段，展现出良好的应用前景。因此，深入解析真菌 GPI 生物合成的关键分子机制，对于拓展抗真菌药物靶点、发展新型抗真菌策略具有重要意义。

近日，华中科技大学同济基础医学院于洪军教授、张敏副研究员团队联合山东大学国家糖工程技术研究中心彭鹏教授、李天路副教授团队，在国际学术期刊 P NAS 上发表题为 Structural and mechanistic insights into the fungal g lycosylphosphatidylinositol m annosyltransferase I c omplex 的研究论文。该研究聚焦真菌GPI生物合成早期的首个甘露糖基化过程，系统阐明了真菌GPI甘露糖基转移酶GPI-MT-I（ Gpi14-Pbn1 ）双亚基复合物的功能组装、双糖脂底物识别方式及精确化学催化机制，揭示了真菌与人源同源体系之间显著的分子和功能差异，建立了GPI中间体底物的高效化学合成方法，为深入研究GPI生物合成机制及开发高选择性的抗真菌药物提供了重要依据。

团队开展的条件性基因敲低及相关功能分析表明， GPI-MT-I 复合物的催化亚基 Gpi14 和调节亚基 Pbn1 均为维持真菌正常生长所必需的关键因子，提示 GPI-MT-I 的正常功能依赖完整的复合物组装。进一步的跨物种功能互补实验发现，人源同源蛋白无法有效替代真菌 GPI-MT-I 相应亚基的功能，表明真菌与人源 GPI 生物合成体系虽然承担相似的生物学功能，但在分子组成和功能调控方面存在明显差异，这种种属间差异为寻找真菌选择性干预靶点提供了重要线索。

GPI 及其中间体具有复杂的寡糖 – 脂质结构，天然来源有限且化学合成困难，其精准制备一直是开展相关生物合成机制研究和化学干预的重要瓶颈。为解决关键受体底物获取困难的问题，研究团队建立了一条 GlcN -(acyl)PI 的高效化学合成策略。该策略无需复杂的正交保护，利用酰基氟试剂，通过 “ 氟离子效应 ” 直接实现肌醇 2-O 位的选择性脂肪酰化，从而避免额外的保护与脱保护操作，显著简化了底物合成。所得 GlcN -(acyl)PI 与 GPI-MT-I 表现出良好的亲和力，可作为均一、结构明确的功能性受体底物。同时，该合成路线在 GlcN 的 O-4 位引入了可正交脱除的 2- 萘甲基（ Nap ）保护基，为后续糖链延伸和复杂 GPI 结构的模块化构建提供了便利。该方法为 GPI 生物合成研究以及化学探针和底物模拟型抑制剂的开发提供了重要工具。

研究还回答了 GPI 复杂生物合成过程中的一个重要问题 - 两个复杂糖脂底物如何被识别以及协同参与甘露糖基转移反应。研究团队成功捕获了 GPI-MT-I 同时结合供体 Dol -P-Man 和受体 GlcN -(acyl)PI 的 pre-catalytic 三元复合物状态，进一步结合位点扫描突变、流式细胞 GPI 活性检测和条件性敲除等分析发现， Gpi14 和 Pbn1 共同形成了适于双糖脂底物结合与反应的膜内反应环境。 Dol -P-Man 与 GlcN -(acyl)PI 通过连续且疏水的底物结合通道进入催化区域，辅助两个底物的亲水极性头部在催化中心附近精准汇聚，而脂质部分则与膜环境相协调，使 GPI-MT-I 能够在膜环境中同时识别和定位两个具有复杂两亲性特征的糖脂底物。结合双底物的空间定位及功能突变结果，团队鉴定了催化过程中发挥关键作用的保守残基 Asp38 ，并提出 GPI-MT-I 以 Asp38 为核心，通过 S N 2-like 机制催化 GPI 中间体 GlcN -(acyl)PI 的甘露糖基化。研究还发现，真菌 GPI-MT-I 与人源同源体系在亚基相互作用以及受体底物识别等方面存在显著差异，体现出鲜明的真菌特异性，也解释了功能重构研究中发现的种属间功能不兼容性。这些差异提示 GPI-MT-I 具有良好的真菌选择性，并可能成为开发真菌特异性抑制剂的重要切入点。

综上所述，本研究系统阐明了真菌 GPI 生物合成通路中关键甘露糖基化过程的分子机制，解析了 GPI-MT-I 合成酶复合体的组装模式、双糖脂底物识别催化机制，以及其与宿主同源体系之间的关键差异，并开发了 GPI 通路研究的化学工具。该研究深化了对真菌 GPI 生物合成及其调控机制的认识，为 GPI 通路的化学干预和真菌选择性靶向提供了新的研究基础。

华中科技大学同济基础医学院于洪军教授和张敏副研究员、山东大学国家糖工程技术研究中心彭鹏教授为该研究共同通讯作者，山东大学国家糖工程技术研究中心李天路副教授在 GPI 中间体精准高效化学合成方面提供了重要支持。华中科技大学同济基础医学院博士研究生刘佳和杨依争为共同第一作者。

原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2617140123

制版人：十一

参考文献

[1] Denning D W. Global incidence and mortality of severe fungal disease [J]. Lancet Infect Dis , 2024, 24(7): e428-e438.

[ 2 ] Perfect J R. The antifungal pipeline: a reality check [J] . Nat. Rev. Drug Discov , 2017, 16 (9): 603-616 .

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（*排名不分先后）