楼振昆团队揭示DNA分子严重损伤修复的新机制

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DPC（DNA-protein crosslink）是指一类由蛋白质和基因组DNA共价加成导致的DNA分子的严重损伤。外源环境的紫外线、甲醛暴露，细胞的醛类代谢产物，抑或常见化疗药物的使用（如喜树碱、铂类），均会诱导毒性DPC产生。DPC的累积造成复制叉停滞，阻断复制和转录，将引起基因组不稳定性、细胞衰老或癌变【1】。DPC修复是细胞维持基因组稳定性和完整性的重要途径，然而相对于其它DNA修复机制（如DNA双链损伤修复、错配修复）取得的显著进展，有关DPC修复的机制仍然知之甚少。

近年来研究发现，SPRTN在DPC修复中扮演着核心角色。SPRTN作为一类DNA依赖的金属蛋白酶，能够特异地切除DPC。小鼠Sprtn亚等位基因突变（Hypomorphic mutations）以及人类中SPRTN突变（Ruijs-Aalfs syndrome）均可导致基因组不稳定、早衰以及早期肝癌【2-4】。研究发现SPRTN的活性受泛素开关（Ubiquitin switch）的严格调控，单泛素化的SPRTN无法结合染色质，DPC诱导SPRTN发生去泛素化，从而启动SPRTN的DPC修复作用【5,6】。然而，由于尚不清楚调控SPRTN去泛素化的关键酶，有关细胞如何动态调节SPRTN的泛素开关以避免染色质被过度水解的分子机制尚待探索。

2020年7月9日，Mayo Clinic的楼振昆团队在Molecular Cell上发表了题为 Tandem Deubiquitination and Acetylation of SPRTN Promotes DNA-Protein Crosslink Repair and Protects against Aging 的文章，阐明了SPRTN的活性受到两种偶联的翻译后修饰（去泛素化和乙酰化）的定量调控与时空调控，确保其精准修复DPC的重要机制。

研究团队首先通过去泛素酶文库的筛选，发现了与SPRTN相互作用的去泛素酶VCPIP1。生化实验进一步验证了VCPIP1与SPRTN相互作用，并且发现DPC诱导产生的VCPIP1-SPRTN复合体在细胞核中更加富集。功能实验揭示了VCPIP1是DPC修复中的主要调控因子，VCPIP1缺失导致DPC诱导的DNA损伤持续积累。机制方面，在应对DPC损伤时，VCPIP1能够特异地去除SPRTN单泛素化，促使SPRTN重定位到受损的染色质，进行DPC的修复。

在DPC修复过程中，VCPIP1如何被激活？研究人员发现，VCPIP1是DNA损伤反应激酶ATM和ATR的底物。体外实验表明，在DPC诱导下，AMT/ATR可以直接磷酸化VCPIP1的S1207位，突变该位点将导致其无法被磷酸化以及进一步被激活。

在研究SPRTN去泛素化的过程中，研究人员发现了一个新的问题：在未存在DPC损伤的情况下，细胞本底存在相当水平的去泛素化SPRTN，然而，为何这些去泛素化SPRTN会被排除在染色质之外？他们由此推测，虽然去泛素化是SPRTN活化的必要条件，但是仍不足以保证其定位到染色质。蛋白质组学和一系列生化实验表明，SPRTN的K230位乙酰化受DPC损伤的诱导，且VCPIP1缺失降低了乙酰化SPRTN的水平，提示乙酰化发生在SPRTN受DPC诱导的去泛素化之后。耐人寻味的是，在DPC发生后，乙酰转移酶对SPRTN的乙酰化由VCPIP1介导，研究人员认为这一发现表明了SPRTN去泛素化和乙酰化在DPC修复中的耦合作用，以及解释了为什么在无DPC损伤下本底去泛素化的SPRTN不会被乙酰化。

最后，研究人员通过构建Vcpip1 敲除小鼠，发现了Vcpip1敲除导致的DPC修复能力受损，细胞微核增加等基因组不稳定的特征。值得注意的是，Vcpip1敲除小鼠显示出了白内障（Cataract）、脊柱后凸（Lordokyphosis）、体重下降、生存率低等机体早衰表型，与Sprtn亚等位基因突变小鼠的表型相似。因此，这些数据进一步支持了VCPIP1在DPC修复、维持基因组稳定性和防止衰老方面的重要功能。

去泛素化和乙酰化偶联调控SPRTN修复DPC的作用模式图

总的来说，该研究揭示了SPRTN受到去泛素化和乙酰化的偶联翻译后修饰调控进而修复DPC损伤的分子机制，发现并验证了VCPIP1是DPC修复通路中的重要调控分子，为防止衰老和后续靶向DPC修复的联合用药及临床研究提供了理论基础。