核糖體是細(xì)胞內(nèi)負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)合成的分子機(jī)器，其生物生成過程異常復(fù)雜且能量消耗巨大。核糖體蛋白或者組裝因子的遺傳突變會(huì)引起組裝以及功能的異常，產(chǎn)生一系列疾病表型，即核糖體?。≧ibosomopath）¹。核糖體組裝過程中的多個(gè)關(guān)鍵步驟需依賴AAA+ATPase家族蛋白的能量驅(qū)動(dòng)。在酵母中，AAA+ATPase Drg1負(fù)責(zé)在細(xì)胞質(zhì)中解離早期組裝因子Rlp24，以實(shí)現(xiàn)組裝因子Rlp24與核糖體蛋白R(shí)pl24的更換。Drg1的人源同源蛋白SPATA5近年來被發(fā)現(xiàn)與多種遺傳疾病密切相關(guān)，相關(guān)突變會(huì)導(dǎo)致智力障礙、聽力喪失、癲癇等臨床表型²。然而，人源SPATA5是否承擔(dān)類似Drg1的分子功能，以及其具體的工作機(jī)制仍不清楚。

2025年4月23日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高寧教授課題組在Nature Communications在線發(fā)表題為“Cryo-EM structure of the AAA+SPATA5 complex and its role in human cytoplasmic pre-60S maturation”的研究論文。該研究解析了人源SPATA5四元復(fù)合物（SPATA5-SPATA5L1-CINP-C1orf109）的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步捕獲了該復(fù)合物被招募到pre-60S核糖體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，揭示了其在組裝因子RLP24解離中的關(guān)鍵作用以及高等生物這一過程的種屬特異性特征。

SPATA5（Spermatogenesis-associated protein 5）在精子發(fā)生的早期階段表達(dá)顯著，提示其可能在精子生成過程中發(fā)揮重要作用。功能研究表明，SPATA5蛋白的敲低會(huì)干擾小鼠神經(jīng)元中線粒體的動(dòng)態(tài)平衡，具體表現(xiàn)為線粒體融合與分裂比例的異常，且多項(xiàng)研究進(jìn)一步支持SPATA5的功能與線粒體穩(wěn)態(tài)密切相關(guān)。本研究首先證實(shí)了在人類細(xì)胞中SPATA5與其旁系同源蛋白SPATA5L1以及C1orf109和CINP組成的穩(wěn)定的SPATA5復(fù)合物，并通過單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，解析了該復(fù)合物的高分辨率三維結(jié)構(gòu)。SPATA5復(fù)合物由SPATA5、SPATA5L1、CINP和C1orf109以4:2:2:2的比例組裝而成，其中SPATA5/L1的ATPase結(jié)構(gòu)域形成獨(dú)特的異源六聚體，SPATA5/L1的N端則與兩個(gè)C1orf109-CINP異源二聚體形成獨(dú)特的NTD環(huán)。

圖1 SPATA5復(fù)合物整體結(jié)構(gòu)

該研究進(jìn)一步解析了SPATA5復(fù)合物結(jié)合pre-60S核糖體的超復(fù)合物結(jié)構(gòu)。與酵母中Drg1復(fù)合物通過N端結(jié)構(gòu)域結(jié)合組裝因子Arx1和rRNA ES27而被招募到pre-60S不同³，該研究顯示人源SPATA5復(fù)合物通過NTD環(huán)中兩側(cè)的CINP分別結(jié)合rRNA ES27A以及組裝因子GTPBP4而被招募，揭示了人源細(xì)胞中pre-60S顆粒對(duì)SPATA5復(fù)合物獨(dú)特的招募機(jī)制。

圖2 SPATA5復(fù)合物結(jié)合pre-60S前體顆粒結(jié)構(gòu)分析

該研究結(jié)合Cryo-EM和質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)在過表達(dá)以及內(nèi)源SPATA5蛋白Walker A基序中保守的半胱氨酸C672位點(diǎn)都存在高水平亞磺酸化修飾，該氧化修飾導(dǎo)致SPATA5無法有效結(jié)合ATP分子，暗示了SPATA5復(fù)合物的功能可能受到細(xì)胞中氧化還原通路（Redox signaling pathways）調(diào)控。線粒體作為細(xì)胞內(nèi)氧化還原信號(hào)產(chǎn)生與感應(yīng)的中心，結(jié)合此前關(guān)于SPATA5功能與線粒體穩(wěn)態(tài)之間的聯(lián)系，提示SPATA5蛋白可能作為細(xì)胞內(nèi)氧化還原信號(hào)的感受器，協(xié)調(diào)線粒體穩(wěn)態(tài)調(diào)控和核糖體組裝過程。

圖3 SPATA5復(fù)合物中SPATA5與SPATA5L1 D2結(jié)構(gòu)域Walker A基序結(jié)構(gòu)比對(duì)

通過與酵母系統(tǒng)進(jìn)行比較，該研究從SPATA5復(fù)合物組成成分、與pre-60S的互作模式和氧化修飾調(diào)控三個(gè)維度闡明了人源核糖體生物生成的復(fù)雜性和種屬特異性特征。使用冷凍電鏡技術(shù)捕捉到的SPATA5復(fù)合物和pre-60S形成的超復(fù)合物，為SPATA5作為核糖體組裝因子提供了確鑿的證據(jù)。近期，一篇發(fā)表的Cell文章⁴報(bào)道了SPATA5復(fù)合物通過與DNA復(fù)制復(fù)合物相關(guān)蛋白的相互作用在細(xì)胞周期S期維持基因組完整性，然而，多項(xiàng)亞細(xì)胞定位研究顯示SPATA5蛋白未見細(xì)胞核定位²，目前也并沒有DNA復(fù)制體或相關(guān)因子與SPATA5復(fù)合物結(jié)合的結(jié)構(gòu)證據(jù)。核糖體組裝缺陷可引發(fā)核仁應(yīng)激，并通過RP-MDM2-p53軸，導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯及凋亡等表型¹。因此，SPATA5復(fù)合物功能喪失所引發(fā)的復(fù)制應(yīng)激和染色體不穩(wěn)定，亦可能為核糖體組裝障礙所致的繼發(fā)效應(yīng)。

綜上所述，本研究系統(tǒng)解析了人源SPATA5復(fù)合物的組成與高分辨率三維結(jié)構(gòu)，并結(jié)合生化功能驗(yàn)證，揭示了其在核糖體大亞基組裝過程中的關(guān)鍵作用。相關(guān)結(jié)構(gòu)與功能數(shù)據(jù)為深入理解SPATA5復(fù)合物介導(dǎo)組裝因子RLP24解離的分子機(jī)制提供了依據(jù)，也為揭示高等真核生物核糖體組裝的復(fù)雜性提供了新的結(jié)構(gòu)線索。此外，該研究成果有望為相關(guān)遺傳疾病的致病機(jī)制研究及潛在藥物開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

高寧、課題組張?jiān)脐柌┦亢鬄楸菊撐耐ㄓ嵶髡?。前沿交叉學(xué)科研究院2020級(jí)（PTN）博士研究生戴余浩為本文第一作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、啟東-SLS創(chuàng)新基金、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、核糖核酸北京研究中心及膜生物學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助支持。北京大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)、高性能計(jì)算平臺(tái)、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院冷凍電鏡平臺(tái)、生命科學(xué)學(xué)院儀器中心及鳳凰工程等多個(gè)技術(shù)平臺(tái)也為本研究提供了有力保障。

1 Aspesi, A. & Ellis, S. R. Rare ribosomopathies: insights into mechanisms of cancer. Nat. Rev. Cancer 19, 228—238, (2019).

2 Puusepp, S. et al. Compound heterozygous SPATA5 variants in four families and functional studies of SPATA5 deficiency. Eur. J. Hum. Genet. 26, 407—419, (2018).

3 Prattes, M. et al. Visualizing maturation factor extraction from the nascent ribosome by the AAA-ATPase Drg1. Nat. Struct. Mol. Biol. 29, 942—953, (2022).

4 Krishnamoorthy, V. et al. The SPATA5-SPATA5L1 ATPase complex directs replisome proteostasis to ensure genome integrity. ?Cell 187, 2250—2268, (2024).

來源：北京大學(xué)