第一作者： 刘兵
通讯作者： 刘兵、王婷、徐晓玲（责任通讯作者）
发表期刊： Communications Biology
期刊5-Year Impact Factor：6.3
通讯单位：杭州师范大学基础医学院、材料与化学化工学院
论文DOI：https://doi.org/10.1038/s42003-026-10386-7
（一）成果简介
近日，杭州师范大学基础医学院徐晓玲教授课题组在Nature Portfolio旗下期刊Communications Biology发表题为“Structural insights into ubiquitin recognition by USP15 revealed through a covalent activity-based probe”的研究论文。该论文解析了泛素特异性蛋白酶15（USP15）与Ub-PA形成的共价复合物2.3 Å分辨率晶体结构，揭示了泛素结合诱导USP15由非活性闭合态转变为活性开放态的分子机制，并发现肿瘤相关突变P331S通过干扰α3-α4环区构象降低USP15的催化活性，从而为去泛素化酶选择性抑制剂的设计提供了结构基础。
（二）引言
泛素化修饰是细胞内最重要的蛋白质翻译后修饰之一，广泛参与蛋白质降解、信号转导、DNA损伤应答、免疫调控和肿瘤发生等过程。去泛素化酶（Deubiquitinases，DUBs）通过切除底物蛋白上的泛素或泛素链，动态调节泛素化信号的强度、持续时间和空间分布。泛素特异性蛋白酶（Ubiquitin-specific proteases，USPs）是DUB家族中成员最多的一类。已有研究表明，USP15可参与TGF-β、NF-κB、cGAS介导的天然免疫、T细胞活化、病毒感染及多种肿瘤相关过程。在不同肿瘤类型中，USP15可能呈现情境依赖性的促癌或抑癌作用，提示其功能调控机制具有复杂性。与此同时，肿瘤基因组数据库中记录了多种USP15体细胞突变，但这些突变如何影响USP15的结构稳定、底物识别和催化活性仍缺乏系统研究。
针对上述科学问题，本研究利用活性探针Ub-PA稳定捕获USP15催化结构域的泛素结合状态，并结合X射线晶体学、酶学、蛋白稳定性分析、分子动力学模拟及细胞泛素化实验，在原子水平上阐明了USP15的泛素识别和构象激活机制。此工作不仅完善了USP15的结构功能图谱，也为理解相关USP亚家族中保守辅助结构元件的功能提供了新的证据。
（三）图文导读
研究团队构建了人源USP15催化结构域的工程化片段（图1a），利用Ub-PA活性探针与USP15催化结构域形成稳定的共价复合物，并获得其2.3 Å分辨率的晶体结构。与apo状态相比，USP15结合泛素后发生显著的构象变化：Fingers亚结构域向外摆动以容纳泛素，锌离子位置移动约8.8 Å；原本柔性的BL1、BL2和SL环区在泛素结合后变得有序，协同夹持泛素C端肽段。与此同时，催化核心半胱氨酸C298移动约5.5 Å，并与H891、D908/D909重新排列，形成高效的催化活性中心（图1b-d）。因此，泛素结合驱动了USP15由“非活性-闭合”转变为“活性-开放”状态（图1e）。
图 1 USP15的结构域组成、催化结构域整体结构及泛素结合诱导的构象变化。
通过与经典的 USP7比较，发现USP15含有USP7缺失的α8螺旋和α3-α4环区（图2a）。其中，α8螺旋位于Fingers亚结构域附近，可通过保守的相互作用网络维持折叠稳定性，并参与形成与泛素识别相关的构象环境。删除整个α8螺旋（Δ413-430）显著降低USP15催化结构域在尿素变性实验中的稳定性（图2b），并且完全消除了其被Ub-PA标记的能力（图2c），提示α8螺旋主要作为维持功能性构象的结构支架而发挥作用。
α3-α4环区位于USP15 Thumb亚结构域中，其中P331位点在多种肿瘤中存在突变记录。结构分析显示，该区域的N330、L332等残基与泛素K48、R54形成相互作用网络，有助于稳定泛素结合界面。在HEK293T细胞中，P331S突变体降低cGAS泛素化水平的能力明显受损，提示该环区对USP15的细胞内功能具有重要作用（图2d）。分子动力学模拟显示，P331S突变引入新的S331-R335直接或水介导的氢键相互作用，使α3-α4环区构象异常受限或发生偏移，从而破坏L332-R54和E394-K48等泛素结合网络（图2e）。酶促反应动力学分析进一步表明，P331S削弱了底物亲和力，并使催化效率显著下降（图2f）。
图 2 α8 螺旋和α3-α4环区对USP15功能的影响。
综合结构和功能实验，本研究提出：USP15的高效催化不仅依赖经典的Palm-Thumb-Fingers核心结构，还需要α8螺旋和α3-α4环区等辅助结构元件以维持精确的构象环境。α8螺旋有助于稳定Fingers相关结构框架，α3-α4环区则参与泛素结合界面的构建。特别的是，P331S等肿瘤相关突变可通过破坏这一辅助结构网络造成USP15的功能下降。由于并非所有USP家族成员都具有这些辅助结构元件，针对其构象稳定或相互作用界面的调控，有望为USP15及相关同源酶的选择性抑制剂设计提供新思路。
我校为第一完成单位和通讯作者单位，杭州师范大学基础医学院徐晓玲教授、刘兵副教授、以及材料与化学化工学院王婷副教授为共同通讯作者。刘兵副教授为第一作者。我校材料与化学化工学院方显杰教授、附属医院罗辉副教授、张邢炜教授等参与了研究。本研究得到国家自然科学基金项目、浙江省自然科学基金杰出青年延续项目、杭州师范大学交叉学科创新研究项目和引进人才启动基金项目等的支持。实验数据收集得到了基础医学院大型仪器共享平台、学校前沿科学研究与转化中心仪器平台、西湖大学大型仪器共享平台和上海同步辐射光源的共同支持。
（四）作者简介
第一作者兼共同通讯作者：刘兵
刘兵，杭州师范大学基础医学院副教授，硕士生导师，主要从事生物大分子结构与功能研究。先后主持完成国家自然科学基金青年项目、浙江省自然科学基金探索项目等，并以第一作者或通讯作者在Nature Communications、Nucleic acids research、Applied and Environmental Microbiology等期刊发表研究论文。
责任通讯作者：徐晓玲
徐晓玲，教授，博士生导师，中国微生物学会自养微生物专业委员会委员、浙江省微生物学会理事。综合运用生物化学、生物物理和合成生物学方法，研究细胞能量代谢过程中重要生物大分子的结构和功能，开展以结构为基础的蛋白质分子设计，探索其在人工光合作用、绿色化工和生物医药等领域的应用（课题组网站：http://bms.hznu.edu.cn/xuxllab/）。近年来以通讯作者在PNAS、Science Advances、Nature Communications、Plant Cell、mBio等期刊发表研究论文40余篇，主持国家自然科学基金项目6项，浙江省自然科学基金杰出青年项目及其延续项目等。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s42003-026-10386-7#author-information
