Sci Adv | SAMD9“分子开关”：从自抑制到致病性激活

SAMD9及其同源蛋白SAMD9L是一类大型胞质蛋白，在细胞生长调控、造血稳态和抗病毒防御中发挥重要作用。SAMD9/9L的杂合性功能获得型（gain-of-function，GoF）突变可导致MIRAGE综合征、共济失调-全血细胞减少症、免疫缺陷以及骨髓衰竭等多种疾病。由于突变蛋白持续抑制细胞生长，患者造血细胞常通过7号染色体单体等体细胞改变丢失突变等位基因，从而产生所谓的“体细胞挽救”；但这一适应过程同时增加了骨髓增生异常综合征和白血病发生的风险。

近年来的研究进一步发现，SAMD9/9L还是一类特殊的抗病毒tRNA核酸内切酶。病毒感染能够激活SAMD9，使其选择性切割tRNA^Phe并抑制蛋白质翻译；患者来源的GoF突变则可使这一tRNase活性在没有病毒刺激时异常开启。

由此产生了一个核心问题：如此强效的tRNase在正常细胞中如何保持关闭？病毒感染又如何将其打开？分布在SAMD9不同区域的致病突变为何都能导致相似的异常激活？

近日，来自UT- San Antonio项焰（Yan Xiang）实验室与Case Western Reserve University戴兴红（XinghongDai）实验室共同完成了对SAMD9的结构解析和机制探索，在Science Advances上发表了论文：Structural Mechanisms of SAMD9 Autoinhibition and Pathogenic Dysregulation。

一个不同寻常的“ATP结合型关闭状态”

研究人员利用单颗粒冷冻电镜（cryo-EM）分析SAMD9的构象状态。结构显示，SAMD9具有STAND（Signal Transduction ATPases with Numerous Domains）超家族蛋白典型的中央NOD模块，由NBD、HD1、WHD和HD2组成。

经典STAND蛋白通常在静息状态结合ADP，在受到激活信号后通过ADP-ATP交换，引发NOD重排和进一步的寡聚化。但SAMD9表现出一个明显不同的特征：在SAMD9单体和C2对称二聚体结构中，研究人员均观察到清晰的ATP和Mg²⁺密度。更令人意外的是，尽管已经结合ATP，SAMD9的NOD仍然保持关闭、自抑制构象。

结构进一步揭示，一个SAMD9特有的插入结构——SAMD9 lineage insert（SLI）——改变了NBD和WHD之间的空间关系，使关闭状态的NOD能够容纳ATP。因此，SAMD9并不遵循经典STAND蛋白简单的“ADP关闭、ATP开启”模式，而是采用了一种独特的ATP结合型自抑制机制。

致病突变实际上是在破坏SAMD9内部的“锁”

完整的三维结构也为理解大量患者GoF突变提供了一个统一框架。

研究人员将已知致病变异映射到SAMD9结构后发现，许多GoF突变位于不同结构域之间的接触界面。尤其值得注意的是，在多个独立患者中反复出现的GoF突变均定位于重要的分子内界面。这提示，许多致病突变可能并非直接提高tRNase的催化能力，而是通过削弱维持关闭状态的分子内相互作用，使SAMD9更容易被激活。

其中一个典型例子是患者中反复出现的E974K突变。在野生型SAMD9中，E974与K1026形成静电相互作用，帮助稳定WHD-HD2区域及其自抑制构象。E974K会破坏这一电荷配对。根据结构，研究人员进一步预测，如果在另一个位置进行相反的电荷变化，即构建K1026E，也应该破坏这一界面。

实验结果与预测一致：E974K和K1026E单独存在时都表现出明显的GoF表型。更有意思的是，当两个突变组合成为E974K/K1026E双突变后，由于两个位置之间的电荷关系重新匹配，SAMD9的自抑制状态反而得到恢复。这一“电荷交换”实验直接证明，维持SAMD9关闭状态的关键并不是某一个特定残基本身，而是结构域之间正确的相互作用。

更多结果进一步将许多看似分散的患者突变统一到同一个机制中：GoF突变通过削弱自抑制性分子内相互作用，降低SAMD9从关闭态进入开放态的激活门槛。

不对称二聚体可能捕捉到了SAMD9“打开”的瞬间

cryo-EM分析进一步表明，SAMD9并不是一个具有单一静态构象的蛋白。除了单体和C2对称二聚体外，研究人员还捕捉到两种比例较低的不对称二聚体，分别约占5%和8%，并根据其整体形态命名为shell dimer和wing dimer。

这两种低丰度不对称二聚体为理解SAMD9如何被激活提供了关键结构线索。在两种结构中，一个亚基仍保持关闭状态，而另一个亚基则发生大幅度构象变化。其中SIR2结构域相对于关闭状态旋转约120°；在shell dimer中，TPR2-OB区域还围绕TPR1/TPR2连接区域发生约90°的重新定位。

更重要的是，不对称二聚体结构揭示了两个此前未知的关键分子间接触——SIR2/SIR2界面和OB/SIR2界面。当研究人员通过结构指导的定点突变破坏这些界面后，不对称二聚体从cryo-EM数据中消失，同时SAMD9的抗病毒活性也显著降低甚至完全丧失。这表明，分子间相互作用并不是SAMD9激活后的附带现象，而是将短暂开放的SAMD9稳定下来并推动其进一步激活的重要步骤。

从自抑制到寡聚化：一个“开关式”激活模型

图：SAMD9自抑制和开关式激活模型。

综合这些结构和功能实验，研究团队提出了一个SAMD9的“开关式”激活模型。

在静息状态下，SAMD9主要处于ATP结合的关闭构象，并可在单体和C2对称二聚体之间转换。但SAMD9并非完全静止，它可能不断发生短暂、低概率的部分开放。如果没有进一步的稳定因素，这种开放构象会重新回到自抑制状态。

当SAMD9浓度升高，或者病毒感染产生的激活信号削弱分子内自抑制界面时，一个暂时开放的SAMD9分子便更容易通过SIR2/SIR2和OB/SIR2界面与邻近的SAMD9结合，从而稳定形成cryo-EM观察到的不对称二聚体。

随后，不对称二聚体中原本保持关闭状态的亚基也可能发生类似的开放，并进一步招募新的SAMD9，从而推动构象变化传播和更高阶寡聚化。这样的组装过程可能将多个N端tRNase结构域聚集到一起，促进底物结合和tRNA切割。

这一模型也将SAMD9看似不同的抗病毒功能与遗传病机制统一起来。

在病毒感染时，病原体来源或细胞应激相关的信号可能降低SAMD9的激活阈值，使其从自抑制状态转入开放和寡聚化状态，最终通过切割tRNA和抑制蛋白质合成限制病毒复制。

而患者GoF突变则直接削弱维持关闭状态的分子内“锁”，使SAMD9即使在缺乏正常病毒刺激的情况下，也更容易跨越激活阈值，导致持续的tRNase活性、翻译抑制和细胞生长障碍。

这一研究不仅解释了不同SAMD9致病变异为何能够产生相似的功能异常，也为进一步理解SAMD9/9L的抗病毒激活及相关遗传病机制提供了结构基础。

本项工作由The University of Texas at San Antonio项焰（Yan Xiang）实验室与Case Western Reserve University戴兴红（Xinghong Dai）实验室共同完成，项焰和戴兴红为共同通讯作者。牟宗俊（Zongjun Mou）和张福顺（Fushun Zhang）为论文共同第一作者。

原文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aeg3967

制版人： 十一

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