泛素通过变构激活SPRTN蛋白酶维持基因组稳定性：揭示Ruijs-Aalfs综合征的分子机制

研究人员针对DNA-蛋白质交联(DPC)修复中SPRTN蛋白酶活性调控的难题，通过结构预测、分子动力学模拟和生化实验，发现泛素通过结合SPRTN蛋白酶结构域(USD界面)变构激活其活性，揭示了Ruijs-Aals综合征患者中截短突变体维持残余功能的关键机制，为基因组稳定性维护提供新靶点。

　　

在细胞生命活动中，DNA与蛋白质的异常交联(DNA-protein crosslinks, DPCs)如同路障般阻碍DNA复制与转录，若修复不当将导致基因组不稳定——这是癌症与早衰的共同特征。其中，金属蛋白酶SPRTN是清除DPC的核心"分子剪刀"，但其如何精准识别交联蛋白而避免误伤正常染色质蛋白，一直是领域内悬而未决的谜题。更令人困惑的是，Ruijs-Aalfs综合征(RJALS)患者体内表达的SPRTN截短突变体(SPRTN^AC)虽缺失泛素结合结构域(UBZ)，仍能维持基本生命活动，这种"残缺却有效"的现象背后隐藏着怎样的分子玄机？

来自德国马克斯·普朗克生物化学研究所(Max Planck Institute for Biochemistry)的Sophie Dürauer等研究者通过多学科交叉研究，首次揭示泛素不仅是SPRTN的"招募信号"，更是其变构激活的"分子开关"。研究团队创新性地重构了DPC的SUMO化-泛素化修饰级联反应体系，结合AlphaFold结构预测与400纳秒分子动力学(MD)模拟，发现泛素会结合在SPRTN蛋白酶结构域背面的USD界面（含关键残基Leu38/Leu99），促使酶构象从"闭合"转为"开放"状态，使活性中心暴露。核磁共振(NMR)谱图显示，DNA与泛素协同作用可产生远超单独作用的构象变化，这种"三重锁"机制（UBZ招募+DNA识别+USD激活）确保SPRTN仅在正确时空发挥作用。

关键技术方法包括：1）体外重构SUMO/泛素修饰的DPC修复体系；2）ColabFold预测蛋白-泛素复合物结构；3）400ns全原子分子动力学模拟；4）异核单量子相干(HSQC)NMR分析构象变化；5）条件性基因敲除小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)模型验证生理功能。

Ubiquitylation of DNA-protein crosslinks promotes their cleavage by SPRTN
研究发现DPC的K48/K63泛素链修饰可使SPRTN活性提升百倍，且该激活不依赖UBZ结构域。截短变体SprT-BR（缺失UBZ）对泛素化DPC的切割效率仍显著高于未修饰底物，暗示存在未知泛素结合位点。

Ubiquitin promotes an open SPRTN conformation
通过MD模拟发现，泛素结合USD界面可阻止蛋白酶域的"闭合塌陷"，使半径回旋(Rg)保持稳定。自由能计算显示L99S突变使结合能损失3.74 kcal/mol，显著破坏泛素-Ile44疏水相互作用。

DNA- and ubiquitin-binding affect SPRTN's conformation synergistically
¹⁵N标记的SprT-BR的NMR谱显示，DNA结合主要影响锌指结构域(ZBD)信号，而泛素结合引发蛋白酶域化学位移扰动，L99S突变则削弱这种协同效应。

SUMO-targeted DPC ubiquitylation activates SPRTN in vitro and in cells
在模拟生理修饰的实验中，RNF4介导的SUMO靶向泛素化同样通过USD界面激活SPRTN。5-氮杂脱氧胞苷(5-azadC)诱导的DNMT1-DPC修复实验证实，L99S突变会显著延缓SPRTN^AC的切割效率。

Ubiquitin-dependent activation of SPRTN maintains genome stability in Ruijs-Aalfs syndrome
在Sprtn^-/- MEF模型中，SPRTN^AC-L99S会引发微核形成和染色体桥等基因组不稳定表型，而完整USD界面可维持截短变体的基本功能，解释RJALS患者虽缺失UBZ仍能存活的现象。

这项发表于《Nature Communications》的研究革新了对DPC修复调控的认知：泛素不仅是"定位标记"，更是通过变构效应精确调控蛋白酶活性的"分子钥匙"。其揭示的USD界面为开发针对SPRTN功能缺陷相关疾病（如肝癌、早衰）的干预策略提供了新靶点。特别值得注意的是，该机制能解释为何K48/K63等多种泛素链均可激活SPRTN——这种"泛素类型不敏感"特性可能确保不同修饰类型的DPC都能被有效清除，为理解DNA修复网络的鲁棒性提供了新视角。