Open Access

Stefan Prgomet

• DNA is constantly exposed to various endogenous and exogenous sources causing different kinds of DNA damage. To overcome this threat, cells have evolved various repair mechanisms. Impairments of these repair mechanisms result in diverse diseases. Ruijs-Aalfs syndrome is a monogenic disease characterized by accelerated ageing and carcinogenesis, typical features of impaired DNA repair and was shown to be caused by germline mutations of SPRTN, a newly identified and only partially understood protein. A role of SPRTN in DNA damage response was previously shown and an involvement in translesion synthesis (TLS) proposed. However, later discoveries revealed an essential function of SPRTN, being indispensible for embryonic development of vertebrates and cellular survival, whereby this function is independent of SPRTN’s proposed function in TLS. The essential function of SPRTN was proposed to be contained in its protease domain but remained unclear. In this study we identify SPRTN as the first mammalian metalloprotease that repairs DNA-protein-crosslinks (DPCs). DPCs represent a specific type of DNA-lesions with bulky protein adducts covalently linked to DNA thereby being highly toxic as they potentially stall replication forks and lead to double strand breaks and genomic instability. DPC-repair remains only partially understood despite their frequent appearance and toxicity. With this study we discover and characterize a new mechanism of DPC-repair in mammalian cells - a proteolytic cleavage of the protein adduct by the metalloprotease SPRTN. Accordingly, a proteolytic activity of SPRTN is demonstrated and s SPRTN-recruitment to DNA upon DPC-induction displayed. Furthermore, SPRTN exhibits degradation of different proteins covalently bound to DNA in form of DPCs, but not of unbound fractions of the same protein substrates. Consequently, mutations of SPRTN’s proteolytic core as well as a mislocalization or depletion of SPRTN result in impaired DPC-repair. The importance of SPRTN-mediated DPC-removal is confirmed by a severely compromised response to DPC-inducing agents for cells with impaired SPRTN function. Additionally to the discovery of SPRTN’s essential function this study further provides an explanation of the molecular mechanism underlying Ruijs-Aalfs syndrome (RJALS), the segmental progeroid syndrome resulting from SPRTN mutation. The effects of the identified clinical mutations on the DPC-repair function of SPRTN are explained and a DPC-accumulation in cells carrying clinical SPRTN-mutation displayed. The obtained data provides sufficient evidence that an impaired DPC-repair is the pathophysiologic cause of RJALS-syndrome, confirming the importance of SPRTN’s newly identified function. In conclusion, SPRTN is the first identified mammalian metalloprotease with a DPC-repairing function and the impairment of SPRTN-mediated DPC-removal is the underlying mechanism of RJALS syndrome.
• DNA ist ständig verschiedenen endogenen und exogenen Quellen ausgesetzt, die unterschiedliche Arten von DNA-Schäden verursachen. Um diese Bedrohung zu überwinden, haben Zellen verschiedene Reparaturmechanismen entwickelt. Beeinträchtigungen dieser Reparaturmechanismen führen zu verschiedenen Krankheiten. Das Ruijs-Aalfs-Syndrom ist eine monogene Erkrankung, die durch beschleunigtes Altern und Tumorentwicklung gekennzeichnet ist, typische Merkmale einer gestörten DNA-Reparatur, und es wurde gezeigt, dass sie durch Keimbahnmutationen von SPRTN, einem neu identifizierten und nur teilweise verstandenen Protein, verursacht wird. Eine Rolle von SPRTN bei der DNA-Schadensantwort wurde bereits gezeigt und eine Beteiligung an der Translesionssynthese (TLS) vorgeschlagen. Spätere Entdeckungen ergaben jedoch, dass SPRTN eine essentielle Funktion hat, die für die embryonale Entwicklung von Wirbeltieren und das zelluläre Überleben unverzichtbar ist, wobei diese Funktion unabhängig von der von SPRTN für TLS vorgeschlagenen Funktion ist. Für die essentielle Funktion von SPRTN wurde vermutet, dass sie in seiner Protease-Domäne enthalten ist, sie verblieb jedoch unklar. In dieser Studie identifizieren wir SPRTN als die erste Metalloprotease in Säugetieren, die DNA-Protein-Crosslinks (DPCs) repariert. DPCs stellen einen spezifischen Typ von DNA-Läsionen dar, bei denen sperrige Proteinaddukte kovalent an DNA gebunden sind, wodurch sie hochtoxisch sind, da sie möglicherweise Replikationsgabeln blockieren und zu Doppelstrangbrüchen und genomischer Instabilität führen. Die Reparatur von DPCs ist trotz ihres häufigen Auftretens und ihrer Toxizität nur teilweise verstanden. Mit dieser Studie entdecken und charakterisieren wir einen neuen Mechanismus der DPC-Reparatur in Säugetierzellen - eine proteolytische Spaltung des Proteinaddukts durch die Metalloprotease SPRTN. Dementsprechend wird eine proteolytische Aktivität von SPRTN gezeigt und eine SPRTN-Rekrutierung zur DNA nach DPC-Induktion gezeigt. Darüber hinaus zeigt SPRTN einen Abbau verschiedener Proteine, die in Form von DPC kovalent an DNA gebunden sind, jedoch nicht ungebundener Fraktionen derselben Proteinsubstrate. Folglich führen Mutationen des proteolytischen Kerns von SPRTN sowie eine Fehllokalisierung oder Depletion von SPRTN zu einer Beeinträchtigung der DPC-Reparatur. Die Bedeutung der SPRTN-vermittelten DPC-Entfernung wird durch eine stark beeinträchtigte Reaktion auf DPC-induzierende Mittel von Zellen mit beeinträchtigter SPRTN-Funktion bestätigt. Zusätzlich zur Entdeckung der essentiellen Funktion von SPRTN liefert diese Studie eine Erklärung des molekularen Mechanismus, der dem Ruijs-Aalfs-Syndrom (RJALS) zugrunde liegt, dem segmentalen Progeroid-Syndrom, das aus der SPRTN-Mutation resultiert. Die Auswirkungen der identifizierten klinischen Mutationen auf die DPC-Reparaturfunktion von SPRTN werden erläutert und eine DPC-Akkumulation in Zellen mit klinischer SPRTN-Mutation dargestellt. Die erhaltenen Daten liefern ausreichende Hinweise dafür, dass eine beeinträchtigte DPC-Reparatur die pathophysiologische Ursache des RJALS-Syndroms ist, was die Bedeutung der neu identifizierten SPRTN-Funktion bestätigt. Zusammenfassend ist SPRTN die erste identifizierte Metalloprotease in Säugetieren mit einer DPC-Reparaturfunktion, und die Beeinträchtigung der SPRTN-vermittelten DPC-Verarbeitung ist der zugrunde liegende Mechanismus des RJALS-Syndroms.