细胞膜是保持细胞结构和功能完整性的关键结构元件；同时，细胞膜阻断了物质在细胞内外的自由交换。定位于细胞膜中的膜蛋白包括离子通道和转运蛋白等可以实现物质的跨膜运输，对细胞的物质，能量和信息的交换至关重要。然而，关于离子通道和转运蛋白介导的物质跨膜输运诸如驱动力，选择性和动力学过程等关键问题仍然有待研究和探索。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心软物质与生物物理实验室SM10组姜道华特聘研究员长期从事于物质跨膜运输的研究，近年来在离子通道蛋白和转运蛋白介导的物质跨膜运输方面取得进展。2024年8月21日，姜道华特聘研究员通过冷冻电镜单颗粒技术重构出磷酸盐转运蛋白XPR1处于不同构象的高分辨率结构，首次揭示了XPR1外排磷酸根离子的门控机制和SPX结构域的调控机制。
该研究成果以“Human XPR1 structures reveal phosphate export mechanism”为题在国际学术期刊《自然》(Nature)发表。无机磷酸盐（Pi）是所有生命体必需的常量营养元素，几乎参与所有的生物过程，在物质合成、呼吸作用、光合作用、能量转换、信号传导等生理过程中发挥不可或缺的作用。
生物体内磷酸盐水平受到严格调控，磷酸盐的缺失或过量会对生物体造成重大疾病，包括心功能障碍，佝偻病，骨软化症及血管钙化等。XPR1是目前人体中唯一已知的磷酸盐外排转运蛋白，其功能异常会导致人类神经系统疾病原发性家族性脑钙化和肾范可尼综合征。在这项研究中，作者解析了XPR1处于关闭，开放和结合肌醇-6磷酸的三种不同构象，首次发现XPR1二聚体形式。
基于结构和功能结果，作者提出了XPR1门控机制和SPX结构域的调控机制模型。该研究发现了XPR1的结构类似于转运蛋白，但是采取一种新颖的类似于通道的门控机制外排磷酸根，显著不同于绝大多数转运蛋白采用的交替开放的转运机制。此外，该研究首次阐明了SPX结构域通过结合多磷酸肌醇调节XPR1的通量，提出多磷酸肌醇感知和磷酸跟输出之间的耦合机制，这些对人体磷酸根稳态的研究至关重要。
中国科学院物理研究所姜道华特聘研究员为本研究唯一通讯作者。华中科技大学与物理所联合培养博士生颜芮、物理所博士后陈慧文、物理所博士生刘传宇及北京大学现代农业研究院赵珺为本文共同第一作者。此外，物理所博士生武迪也为本研究提供了帮助。本研究得到国家基金委和中国科学院的资助。
冷冻电镜数据收集得到中国科学院物理研究所SM10组冷冻电镜中心及软物质公共仪器平台和北京大学现代农业研究院生物微观结构研究平台的技术支持。