中心体是动物细胞主要的微管组织中心，在细胞增殖与分化、信号转导和细胞迁移等过程中发挥着至关重要的作用。中心体的结构或功能异常与肿瘤、小头畸形症和纤毛病等多种疾病密切相关。然而，关于中心体动态组装的分子机制以及其异常如何导致不同疾病类型的发生，至今仍未完全阐明。
中心体由一对垂直排列的中心粒和围绕其外周的无定型物质（pericentriolar material，PCM）共同构建而成。PCM区域聚集 >100种蛋白质，是赋予中心体微管组织能力的核心场所。在进入有丝分裂期之前，细胞需要招募并有序排列大量PCM蛋白于中心粒周围，协同组装微管组织中心，以确保有丝分裂纺锤体的正确装配。在果蝇中，PCM的快速扩张依赖于两个核心蛋白-Spd-2（Spindle-defective protein 2）和Cnn（Centrosomin），它们共同搭建支架平台以招募下游功能性蛋白。然而，目前尚不清楚Spd-2如何在G2/M期搭建支架平台，以及这一过程是否受到调控。此外，在男性不育症患者的全外显子组测序中，Spd-2的人同源蛋白CEP192被发现存在等位基因变异，但其致病机制尚未明确。
近日，复旦大学生命科学学院冯喆课题组在Science Advances杂志在线发表题为
The conserved Spd-2/CEP192 domain adopts a unique protein fold to promote centrosome scaffold assembly的研究论文。该研究首次系统揭示Spd-2/CEP192蛋白在中心体支架搭建中的分子机制和结构基础，并阐明其基因突变如何导致男性不育症的致病机理，为相关疾病的诊断和治疗提供重要的理论依据。
研究团队首先通过生信分析发现，Spd-2/CEP192蛋白包含多个Ig-like结构域，这些结构域的数量在不同物种中存在显著差异。然而，其中两个结构域在进化过程中高度保守，并在同源蛋白中共同出现。作者将这两个串联的结构域命名为SP2D结构域。通过果蝇胚胎内RNA注射实验，研究人员证实SP2D结构域在中心体支架结构的组装中发挥关键作用，而Spd-2的N端区域则负责将其招募至中心粒周围。此前研究报道Spd-2与Cnn协同作用搭建中心体支架平台，本研究进一步发现Spd-2能够独立于Cnn搭建部分支架结构，而这一过程同样依赖SP2D结构域。此外，研究团队构建了SP2D结构域敲除的果蝇突变体，并发现表达Spd-2突变体的雌性果蝇虽然能够产卵，但其胚胎无法正常发育并最终死亡，表明SP2D结构域在中心体装配与功能中的不可或缺性。
为了进一步探究该结构域在中心体支架搭建中的分子机制，研究团队解析了蜜蜂同源蛋白中SP2D的三维结构，并利用AlphaFold预测构建了果蝇同源蛋白的结构模型。通过比对人类、果蝇和蜜蜂三类蛋白的结构，研究人员发现SP2D结构域的折叠在进化上高度保守，其三维结构呈现为一种独特的“托架状”形态。进化上保守的氨基酸主要集中于两个亚结构域的互作界面，通过广泛的疏水相互作用和电荷相互作用稳定整体构象。通过互作界面的点突变，作者进一步证实了蛋白构象对支架结构组装的重要性。
在男性不育症患者中，CEP192基因的等位点突变导致第1917位Asn残基被突变为Ser。研究团队发现，该氨基酸位于SP2D结构域内，并且在进化上完全保守。基于三维结构分析，作者发现该残基位于亚结构域的互作界面附近，通过与多个氨基酸主链的相互作用来稳定SP2D结构域的折叠。功能研究表明，这一突变显著破坏了Spd-2蛋白在中心体支架结构中的组装能力，从而揭示了其致病机理，为理解男性不育症等相关疾病提供了重要的理论依据。
最后，研究团队通过体外生化实验发现Spd-2的C端结构域在Polo激酶介导的磷酸化修饰下能够形成多聚体。结合解析的SP2D结构和AlphaFold3的预测模型，作者构建了Spd-2同源寡聚体的结构模型，并通过点突变结合功能实验，证实Spd-2多聚界面的破坏会显著影响中心体支架的搭建。这一发现进一步揭示了Spd-2在中心体动态组装中的分子机制。
本研究由复旦大学生命科学学院博士生胡柳益与英国牛津大学博士后Alan Wainman共同完成，为论文的共同第一作者。复旦大学冯喆研究员、伦敦玛丽女王大学Mark van Breugel博士、英国牛津大学Jordan Raff教授和美国国家癌症研究所Susan Lea教授为本文的共同通讯作者。
复旦大学冯喆课题组主要致力于研究亚细胞结构在细胞增殖与分化中的动态组装及调控机制，以及其异常如何与肿瘤、神经发育类疾病和不孕不育症等疾病相关联。课题组长期招聘具有生物化学、结构生物学、细胞生物学或发育生物学等研究背景的博士后，欢迎有志于相关领域的优秀人才加入。
https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adr5744
制版人： 十一
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