核糖體是細胞內負責蛋白質合成的分子機器，其生物生成過程異常複雜且能量消耗巨大。核糖體蛋白或者組裝因子的遺傳突變會引起組裝以及功能的異常，產生一系列疾病表型，即核糖體病（Ribosomopath）1。核糖體組裝過程中的多個關鍵步驟需依賴AAA+ ATPase家族蛋白的能量驅動。在酵母中，AAA+ ATPase Drg1負責在細胞質中解離早期組裝因子Rlp24，以實現組裝因子Rlp24與核糖體蛋白Rpl24的更換。Drg1的人源同源蛋白SPATA5近年來被發現與多種遺傳疾病密切相關，相關突變會導致智力障礙、聽力喪失、癲癇等臨床表型2。然而，人源SPATA5是否承擔類似Drg1的分子功能，以及其具體的工作機制仍不清楚。
2025年4月23日，北京大學生命科學學院高寧課題組在《Nature Communications》線上發表了題為“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 SPATA5四元複合物(SPATA5-SPATA5L1-CINP-C1orf109)的高解析度冷凍電鏡結構，並進一步捕獲了該複合物被招募到pre-60S核糖體的結構狀態，揭示了其在組裝因子RLP24解離中的關鍵作用以及高等生物這一過程的種屬特異性特徵。
SPATA5（Spermatogenesis-associated protein 5）在精子發生的早期階段表達顯著，提示其可能在精子生成過程中發揮重要作用。功能研究表明，SPATA5蛋白的敲低會干擾小鼠神經元中線粒體的動態平衡，具體表現為線粒體融合與分裂比例的異常，且多項研究進一步支援SPATA5的功能與線粒體穩態密切相關。
本研究首先證實了在人類細胞中SPATA5與其旁系同源蛋白SPATA5L1以及C1orf109和CINP組成的穩定的SPATA5複合物，並透過單顆粒冷凍電鏡技術，解析了該複合物的高解析度三維結構。SPATA5複合物由SPATA5、SPATA5L1、CINP和C1orf109以4:2:2:2的比例組裝而成，其中SPATA5/L1的ATPase結構域形成獨特的異源六聚體，SPATA5/L1的N端則與兩個C1orf109-CINP異源二聚體形成獨特的NTD環。
圖1. SPATA5複合物整體結構
該研究進一步解析了SPATA5複合物結合pre-60S核糖體的超複合物結構。與酵母中Drg1複合物透過N端結構域結合組裝因子Arx1和rRNA ES27而被招募到pre-60S不同3，該研究顯示人源SPATA5複合物透過NTD環中兩側的CINP分別結合rRNA ES27A以及組裝因子GTPBP4而被招募，揭示了人源細胞中pre-60S顆粒對SPATA5複合物獨特的招募機制。
圖2. SPATA5複合物結合pre-60S前體顆粒結構分析
該研究結合Cryo-EM和質譜分析，發現在過表達以及內源SPATA5蛋白Walker A基序中保守的半胱氨酸C672位點都存在高水平亞磺酸化修飾，該氧化修飾導致SPATA5無法有效結合ATP分子，暗示了SPATA5複合物的功能可能受到細胞中氧化還原通路（Redox signaling pathways）調控。線粒體作為細胞內氧化還原訊號產生與感應的中心，結合此前關於SPATA5功能與線粒體穩態之間的聯絡，提示SPATA5蛋白可能作為細胞內氧化還原訊號的感受器，協調線粒體穩態調控和核糖體組裝過程。
圖3. SPATA5複合物中SPATA5與SPATA5L1 D2結構域Walker A基序結構比對
透過與酵母系統進行比較，該研究從SPATA5複合物組成成分、與pre-60S的互作模式和氧化修飾調控三個維度闡明瞭人源核糖體生物生成的複雜性和種屬特異性特徵。使用冷凍電鏡技術捕捉到的SPATA5複合物和pre-60S形成的超複合物，為SPATA5作為核糖體組裝因子提供了確鑿的證據。
近期，一篇發表的Cell文章4報道SPATA5複合物透過與DNA複製複合物相關蛋白的相互作用在細胞週期S期維持基因組完整性，然而，多項亞細胞定位研究顯示SPATA5蛋白未見細胞核定位2，目前也並沒有DNA複製體或相關因子與SPATA5複合物結合的結構證據。核糖體組裝缺陷可引發核仁應激，並透過RP-MDM2-p53軸，導致細胞週期阻滯及凋亡等表型1。因此，SPATA5複合物功能喪失所引發的複製應激和染色體不穩定，亦可能為核糖體組裝障礙所致的繼發效應。
綜上所述，本研究系統解析了人源SPATA5複合物的組成與高解析度三維結構，結合生化功能驗證，揭示了其在核糖體大亞基組裝過程中的關鍵作用。相關結構與功能資料為深入理解SPATA5複合物介導組裝因子RLP24解離的分子機制提供了依據，也為揭示高等真核生物核糖體組裝的複雜性提供了新的結構線索。此外，該研究成果有望為相關遺傳疾病的致病機制研究及潛在藥物開發提供理論基礎。
北京大學生命科學學院高寧教授、課題組張雲陽博士後為本論文通訊作者。前沿交叉學科研究院2020級（PTN）博士研究生戴餘浩為本文第一作者。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、啟東-SLS創新基金、北大-清華生命科學聯合中心、核糖核酸北京研究中心及膜生物學全國重點實驗室的資助支援。北京大學冷凍電鏡平臺、高效能計算平臺、北京大學現代農業研究院冷凍電鏡平臺、生命科學學院儀器中心及鳳凰工程等多個技術平臺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. Cancer19, 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. Cell187, 2250–2268, (2024).
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-58894-0
原文連結：
https://www.bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont/22/17741.html
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