细菌通过磷酸烯醇式丙酮酸：糖磷酸转移系统（phosphoenolpyruvate:sugar phosphotransferase system, PTS）摄取并磷酸化多种碳源。PTS系统不仅是细菌碳代谢的核心通路，同时在代谢调控与环境适应中发挥重要作用。根据跨膜结构域（IIC）的差异，PTS转运蛋白被划分为三大结构超家族：GFL、AG和Man。2015年，课题组解析了AG超家族中维生素C转运蛋白UlaA开口外向的晶体结构（Nature Structural & Molecular Biology, 2015），揭示了其全新的折叠方式，并提出了“电梯式（elevator-type）”转运模型。随后，进一步捕获了UlaA的开口内向的构象（Cell Discovery, 2018），从原子层面完整描绘了AG超家族转运底物的动态循环过程。2019年，课题组成功解析了PTS系统中最为独特的甘露糖（Man）超家族–大肠杆菌甘露糖转运体（ManYZ）的高分辨率结构，首次揭示了Man家族特有的IIC与IID亚基的组装方式（Cell Research, 2019）。
然而在PTS系统中负责山梨糖醇（Glucitol）转运的Gut家族长期以来在分类上存在争议。尽管它常被暂时归入GFL超家族，但其独特的组装方式明显区别于经典GFL成员：其关键的跨膜结构域被拆分到两个不同的蛋白单元（GutE/IIC1 和 GutA/IIC2）上，且IIB结构域融合于GutE的N端。这些结构特征与传统GFL超家族成员并不一致，Gut家族是否代表一个独立的PTS超家族成为长期未解的问题。
2026年3月10日，清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心王佳伟课题组在《Communication Biology》发表题为A trimeric architecture reveals the glucitol PTS transporter as a distinct superfamily的研究论文。该研究解析了大肠杆菌山梨糖醇转运体（GutE–GutA–GutB复合物）高分辨结构，分辨率达到3.44 Å（PDB: 9X2M）。该研究揭示Gut转运体跨膜区以三聚体形式组装，其整体结构框架与已知的GFL和AG超家族的二聚体结构显著不同，因此研究团队从结构层面确立Gut家族为一个独立的PTS超家族。
一、首次揭示三聚体跨膜架构
结构显示，Gut转运体的跨膜区域由三个原聚体组成，每个原聚体由GutE（IIC1）和GutA（IIC2）构成。三聚体呈现“支架式”构型，由胞外和胞质两层“锁环”结构维持稳定。该三聚体形式明显区别于经典GFL与AG超家族的同源二聚体形式（图1）。尽管Man家族也以三聚体形式存在，但Gut转运体在结构排列及功能组织上均呈现出独特的特征，提示其代表一种新的演化分支。该发现从根本上解决了Gut家族在系统发育分类中的长期争议问题。
图1 同源三聚体山梨糖醇转运蛋白的结构
二、结构捕获两种构象状态支持电梯式转运机制
冷冻电镜重构结果同时捕获到两种功能状态：向内封闭（inward-occluded）与向内开放（inward-facing）构象。结构比对显示：
● 稳定支架域（SD）在不同状态下保持高度刚性；
●转运结构域（TD）发生约4.5 Å的整体刚体位移；
●底物结合口袋随TD整体移动，从膜中央位置向胞质侧偏移。
该特征符合典型的“电梯式” 交替机制，即转运结构域相对稳定支架域进行刚体运动以完成底物跨膜转运。这一结果为Gut转运体的工作机制提供了直接的结构证据。
三、提出跨原聚体磷酸转移模型
PTS系统的核心特征在于转运与磷酸化偶联。研究团队结合AlphaFold结构预测模型，对GutE胞质侧IIB结构域进行了空间定位分析。模型显示，IIB结构域中的关键催化残基Cys71可能更有利于接近相邻原聚体中的底物结合位点，而非同一原聚体内部。这一空间布局提示Gut转运体可能存在“in-trans”磷酸转移路径，即一个原聚体的IIB结构域向相邻原聚体的底物进行磷酸化（图2）。功能互补实验进一步验证，Cys71→Ser突变显著削弱细胞在山梨糖醇为唯一碳源条件下的生长能力，证实该位点在催化中的关键作用。基于该结构的机制假说，揭示了PTS系统中一种此前未被认识的潜在协同模式。
图2 交替访问机制用于糖醇的运输和磷酸化
Gut转运体的解析不仅解决了长期存在的系统发育争议，也为理解细菌碳源摄取与磷酸化偶联机制提供了新的结构框架。其独特的三聚体组织形式及潜在的跨原聚体催化模式，拓展了人们对PTS系统结构多样性与功能协同机制的认识。
随着Gut家族高分辨率结构的解析，王佳伟课题组完成了对PTS系统中AG、Man、Gut三大超家族转运体的系统性结构表征。这一系列工作，与领域内其他团队对GFL、AG超家族的经典结构解析一起，最终拼合出覆盖PTS系统四大超家族（GFL、AG、Man、Gut）的完整结构图谱，从原子尺度上为理解细菌的碳源摄取机制提供了关键支撑。
清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心王佳伟副教授和清华大学生命科学学院葛霄飞博士为本文共同通讯作者。王佳伟实验室毕业生邓婷月博士为本文第一作者，刘学莉博士和博士后曾建伟为该研究做出了贡献。该研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。
相关文献
1. Liu X, Zeng J, Huang K, Wang J*. Structure of the mannose transporter of the bacterial phosphotransferase system. Cell Research, 2019; 29(8):680-682.
2. Luo P, Dai S, Zeng J, Duan J, Shi H, Wang J*. Inward-facing conformation of L-ascorbate transporter suggests an elevator mechanism. Cell Discovery, 2018; 4:35.
3. Luo P, Yu X, Wang W, Fan S, Li X*, Wang J*. Crystal structure of a phosphorylation-coupled vitamin C transporter. Nat Struct Mol Biol. 2015; 22(3):238-41 (Cover).
