综述：重访clastosome：哺乳动物细胞应激诱导的核内蛋白酶解区室

《Frontiers in Neuroanatomy》：Revisiting the clastosome: a stress-induced nuclear proteolytic compartment of mammalian cells

　　

核泛素蛋白酶体系统(UPS)是维持蛋白质稳态(proteostasis)及保障核蛋白质量控制的核心机制。在细胞核内，蛋白酶体广泛分布于核质中，并可聚集形成核体(nuclear bodies)。2002年，研究人员首次在哺乳动物细胞中描述了一种特异性核体亚型，其高度富集：(i)泛素偶联物；(ii)具有蛋白酶解活性的26S蛋白酶体的20S核心颗粒(CP)与19S调节颗粒(RP)；(iii)分子伴侣Hsp70；(iv)蛋白酶体底物。研究人员将这一UPS的核内蛋白酶解中心命名为clastosome。Clastosome表现出动态行为，其在渗透胁迫下的哺乳动物神经元中可被瞬时且强烈诱导形成，同时伴随蛋白酶体活性增强。后续研究进一步验证并从机制层面拓展了学界对这类核内蛋白酶解中心的认识，目前已被证实为由液液相分离(LLPS)机制形成的核凝聚体。值得注意的是，早幼粒细胞白血病核体(PML-NBs)可与clastosome发生相互作用，从而将PML蛋白与SUMO化通路同UPS介导的蛋白降解联系起来。PML核体与clastosome的关联已被证实参与清除某些神经退行性疾病相关的毒性突变蛋白。本综述系统阐述了clastosome的结构、组成与动态调控规律，重点关注其在应激反应与神经退行过程中的调控模式。鉴于核蛋白酶解中心在蛋白质稳态调控中的核心作用，深入解析其组装调控机制有望为神经退行性蛋白病及其他病理状态的干预提供新策略。

1 引言

间期细胞核是具有高度组织性的动态环境，包含组成性或诱导性核区室，协同调控转录、RNA加工、核质运输、基因组空间组织、DNA损伤修复及细胞应激响应等过程。这种区室化特征实现了功能亚核结构域的隔离，显著提升了各域内代谢过程的效率与特异性。多数核区室为无膜核体，包括核仁、卡哈尔体(Cajal bodies)、核斑点(nuclear speckles)与早幼粒细胞白血病核体(PML-NBs)，均属于通过液液相分离(LLPS)机制组装形成的核凝聚体。这类凝聚体通过选择性招募并浓缩特定分子，构建出区别于周围核质的微环境，尤其会富集含有内在无序区域(IDRs)的RNA与蛋白质，以促进多价大分子互作。核质内的泛素蛋白酶体系统(UPS)对维持蛋白质稳态及核蛋白质量控制至关重要，可根据核内动态需求调控稳态蛋白水平，并阻止错误折叠或缺陷蛋白的累积。核蛋白酶体研究的范式转变始于一类可浓缩UPS组分与蛋白酶体底物的瞬时核体的发现，该发现支持了其作为核内蛋白酶解位点的模型。Lafarga团队最早描述了一种可浓缩活性蛋白酶体复合物与底物的UPS核蛋白酶解中心，并将其命名为“clastosome”（源自希腊语klastos“破碎”与soma“体”）。在哺乳动物中，clastosome已在体内神经元及培养细胞中均被观察到。本综述系统阐述哺乳动物细胞clastosome的结构、分子组成与动态调控，重点关注其在细胞应激与神经退行病理中的调控特征，并分析PML-NBs与clastosome的潜在互作关系。

2 泛素蛋白酶体系统概述

蛋白酶解是调控蛋白半衰期与蛋白质质量控制的核心过程。蛋白质稳态失衡导致的错误折叠蛋白累积与多种人类疾病（包括严重神经退行性疾病）的发病密切相关。真核细胞主要通过溶酶体与蛋白酶体介导两条途径降解蛋白质：长寿命蛋白优先通过溶酶体途径降解，而大多数胞内蛋白周转——尤其是短寿命、调控性及错误折叠蛋白——由UPS介导。26S蛋白酶体是高度保守、丰度极高的巨分子复合物，对维持真核蛋白质稳态不可或缺，由20S核心颗粒(CP)与1~2个19S调节颗粒(RP)构成。20S CP呈桶状结构，α与β亚基排列为四个七聚体环，蛋白酶解活性位点位于β₁、β₂与β₅亚基，分别提供半胱天冬酶样、胰蛋白酶样与糜蛋白酶样活性；α亚基携带核定位信号(NLSs)，促进20S复合物入核。19S RP包含ATP酶与非ATP酶亚基，负责识别、去折叠泛素化底物并将其转运至20S CP催化腔。活细胞成像显示26S复合物在胞质组装后通过核孔复合体转运入核。脊椎动物中存在免疫蛋白酶体，其替代活性位点(β_1i/LMP2、β_2i/Mecl-1、β_5i/LMP7)可提升底物周转效率。泛素化是蛋白酶体降解的前置条件，依赖E1泛素激活酶、E2泛素结合酶与E3泛素连接酶的三级酶促级联反应；底物递送至蛋白酶体后，泛素链由去泛素化酶切割并回收。多泛素化底物被19S RP的ATP酶亚基S6(Rpt5)识别、去折叠后进入20S CP降解腔，产生3~20个氨基酸的短肽，随后被胞质氨肽酶水解为游离氨基酸；部分肽段可被MHC I类分子提呈用于抗原呈递。UPS可通过响应生理与病理需求动态调控蛋白酶解通量，除蛋白质质量控制外，还参与细胞周期、基因表达及其他稳态过程的调控。

3 核蛋白酶体

大量实验证据证实哺乳动物细胞核内存在蛋白酶体复合物：多个20S蛋白酶体亚基携带NLSs以促进主动入核，且PA28γ、Blm10、HAUSP及RNF4等多种UPS组分均定位于核内，同时已鉴定出大量核蛋白酶体底物。亚细胞分级免疫印迹、免疫荧光与免疫电镜结果显示，哺乳动物细胞的20S、19S与26S蛋白酶体呈胞质与核内双重分布，增殖活跃细胞、肿瘤细胞与神经元中核蛋白酶体浓度更高，具体分区随细胞类型、细胞周期与代谢活性变化。核内蛋白酶体呈弥散但非均匀分布，优先结合常染色质，基本排除于核仁与核膜外，也可与核斑点共定位。GFP标记蛋白酶体亚基的活细胞成像证实其富集于常染色质区、排除于核仁，荧光漂白恢复(FRAP)分析显示蛋白酶体在胞质与核质中扩散迅速，但从胞质向核内转运速率显著更低，荧光相关光谱进一步验证了核内蛋白酶体的催化活性。核蛋白酶体的功能已拓展至多个层面：核蛋白质质量控制、有丝与减数分裂周期调控、通过调控转录因子与染色质重塑调节基因表达、核mRNA加工及DNA损伤修复等，这些过程受PSME3/REGγ、Blm10等核特异性蛋白酶体激活子与调控子的精细调节。

4 clastosome：核内蛋白酶解中心

Clastosome最初在哺乳动物体内神经元与培养细胞中被报道，可浓缩活性19S与20S蛋白酶体、c-Fos与c-Jun等特异性底物及分子伴侣Hsp70，被提出作为UPS的瞬时特化蛋白酶解枢纽；用蛋白酶体抑制剂处理HeLa细胞会导致clastosome消失，证实其形成依赖蛋白酶体活性。基础条件下clastosome丰度较低，但在体内哺乳动物神经元中可被渗透胁迫强烈且可逆地诱导形成，凸显其动态属性。免疫荧光分析显示clastosome为直径0.2~1.2 μm的球形核体，定位于间染色质间隙，可与核斑点、卡哈尔体、核仁及核杆区分辨开；在X射线辐照后的大鼠感觉节神经元DNA损伤应答早期，clastosome也可瞬时形成，与γH2AX阳性DNA损伤灶空间相邻但不共定位。免疫金电镜显示clastosome为无膜、电子致密的核凝聚体（0.2~0.9 μm），呈圆形或不规则聚集体，也可呈环状或甜甜圈形，随机分布于间染色质间隙，不与异染色质、核仁或核膜稳定结合。在大鼠下丘脑视上核神经元（合成抗利尿激素的渗透调节细胞）的渗透胁迫模型中，clastosome频率在刺激后约3小时达峰，与应激诱导的c-Fos、c-Jun等底物的加速降解同步；胁迫解除后，随着底物代谢清除，clastosome同步解离，支持其响应蛋白降解需求动态组装的特征。免疫共定位研究显示clastosome存在分子异质性：同一神经元中部分clastosome富集c-Fos或c-Jun，其余则不富集，提示不同clastosome亚型可能具有底物特异性。此外，泛素偶联物、PML蛋白、腺病毒E1A癌蛋白及NO敏感鸟苷酸环化酶β₁亚基等也被报道定位于clastosome。后续研究在培养细胞中鉴定出多种核蛋白酶体组装体，包括FBXO25相关核域(FAND)、含蛋白酶体核灶、衰老相关核蛋白酶体灶(SANPs)、含p62核凝聚体及饥饿诱导核蛋白酶体组装体(SIPAN)等，均被证实为通过LLPS形成的生物分子凝聚体，可通过浓缩UPS组分显著提升底物降解效率。Yasuda等的研究首次证实高渗胁迫下形成的应激诱导蛋白酶体灶具有LLPS液滴特性，K48连接多泛素链与RAD23B等泛素受体的多价互作驱动凝聚体形成与蛋白酶体招募，核糖体蛋白是其重要底物。p62等分子也可通过LLPS形成具蛋白酶解活性的核凝聚体，加速致癌c-Myc降解，防止其异常核累积；核与胞质p62凝聚体的底物偏好存在差异，可分别促进肿瘤抑制或生长。上述发现从机制层面拓展了clastosome作为动态、无膜、应激响应型核蛋白酶解中心的概念，其分子组成与形态符合LLPS驱动核凝聚体的基本特征，渗透刺激下应激底物浓度升高超过相分离阈值可能是其组装的触发因素，泛素蛋白偶联物与含IDRs的底物（如c-Fos、c-Jun）的累积可促进LLPS。但尚无明确证据表明近年报道的核蛋白酶体凝聚体与clastosome完全等同：clastosome在蛋白酶体活性被刺激时增多、被抑制时消失，而多数已知核蛋白酶体凝聚体在蛋白酶体活性受抑时数量增加，且clastosome在体内神经组织中形成，而近期报道的凝聚体是否在体内组装仍待验证。

5 PML-NBs与clastosome的关联：杂交体

PML-NBs是高度动态的无膜核凝聚体，参与细胞应激响应、基因组稳定性维持、转录调控、DNA损伤应答、抗病毒防御、肿瘤抑制、细胞衰老与凋亡等多种核功能。PML蛋白是PML-NBs的分子标志物，通过SUMO化PML与SUMO互作基序的多价互作介导LLPS组装，其内部包裹SUMO化客户蛋白，存在形态与分子异质性，部分PML蛋白呈核质弥散分布。在特定成熟阶段（尤其是三氧化二砷处理后），PML蛋白可通过RNF4介导的SUMO靶向泛素化被蛋白酶体降解，11S调节亚基与20S催化核心已被定位于该类结构中。PML-NBs与clastosome虽为不同的核结构，但存在多种互作形式：HeLa细胞中可观察到PML蛋白与蛋白酶体在特定核体中完全共定位；无神经病变的人背根节神经元中，多数PML-NBs不含蛋白酶体，部分富含蛋白酶体的clastosome独立组装，同时可见二者空间靠近形成“杂交体”；人视上核神经元中还存在蛋白酶体富集的内核被PML蛋白外壳完全包裹的杂交体结构。这些结果支持clastosome与PML-NB凝聚体之间存在动态互作，近期研究也证实了应激诱导p62核体与PML-NBs可形成杂交体，RNF4可从PML-NBs易位至p62凝聚体，进而稳定PML-NBs并增强其维持细胞健康的功能。

6 神经退行中的PML NBs-clastosome互作

错误折叠或突变蛋白的核内累积与聚集是多种神经退行性疾病的核心致病机制。有丝分裂后神经元无法通过分裂稀释损伤蛋白，主要依赖分子伴侣重折叠与UPS靶向降解两条途径应对异常蛋白累积。在神经退行性蛋白病中，疾病蛋白过载或蛋白聚集抑制UPS功能被认为是含错误折叠/突变蛋白的核聚集体的关键驱动因素，提示clastosome介导的核蛋白质质量控制失效可能是共同的致病机制，但毒性蛋白聚集是促进UPS降解的保护性事件还是导致神经元功能障碍的因素仍无定论。多聚谷氨酰胺(polyQ)病（包括亨廷顿病、脊髓小脑共济失调(SCAs)等）是研究PML-NBs与clastosome参与毒性蛋白清除的理想模型，其由CAG重复扩增驱动突变蛋白核内聚集。脊髓小脑共济失调7型(SCA7)由ATXN7基因CAG扩增导致，突变ataxin-7在神经元核内形成包含分子伴侣、蛋白酶体亚基、PML蛋白与SUMO化蛋白的包涵体，支持PML-NBs与clastosome相关蛋白酶解通路的功能关联。过表达PML亚型IV可组装被称为“PML clastosome”的核体，通过RNF4介导的SUMO靶向泛素化招募可溶性突变ataxin-7进行降解；干扰素β可上调PML表达、增加PML clastosome数量，增强突变ataxin-7降解，改善SCA7小鼠的行为学表现，该机制同样适用于含125个polyQ重复序列的亨廷顿蛋白外显子1的降解，提示其可拓展至其他polyQ病。在组成性存在clastosome的神经元群体中，clastosome频率降低可能提示核蛋白质质量控制失效，进而诱发神经退行：Down综合征(DS)小鼠模型的海马颗粒细胞clastosome数量显著减少，伴随海马蛋白酶体活性下降35%，提示其核蛋白质稳态维持能力不足；同时该类细胞存在表观遗传失调与全局转录速率下降，尚待明确是否直接源于蛋白酶体相关基因表达下调阻碍clastosome组装。当蛋白酶体活性受损时，细胞可能通过CRM1介导泛素化蛋白核输出至胞质以维持核稳态，但这些蛋白易在胞质形成不溶性聚集，DS小鼠海马颗粒细胞中已观察到泛素蛋白聚集从核内clastosome相关灶向胞质包涵体的区室转移，APP、Aβ、过度磷酸化Tau与氧化蛋白的累积也可能螯合可用蛋白酶体，进一步限制其入核与clastosome生物发生。

7 结论与展望

自Cajal于1910年奠定哺乳动物神经元核组织结构的基础以来，先进成像与多组学技术极大拓展了学界对核景观的认知，推动了新型核体（现被定义为核凝聚体）的鉴定。在核UPS框架下，clastosome是一类特征清晰的特异性核体，为特化的核内蛋白酶解区室提供了精准、有历史渊源且功能明确的命名，可通过在离散核域内浓缩UPS组分、底物与分子伴侣促进核蛋白酶解。但clastosome的精确分子定义及其与其他核蛋白酶体凝聚体的区分仍是核心挑战。Clastosome响应细胞应激的动态组装/解离循环支持其在提升核蛋白周转与蛋白质质量控制中的关键作用，这对需终身维持蛋白质组完整性的神经元尤为重要，激活clastosome组装可能有助于细胞应激恢复与蛋白质稳态紊乱的纠正。目前仍需阐明clastosome生物发生与动态调控的分子机制、生物物理原理与特异性信号，以及其在不同组织细胞、生理与病理条件下的差异。PML-NBs与clastosome的互作由SUMO化与泛素蛋白酶体降解通路的交叉介导，参与部分神经退行蛋白病的核聚集清除，但其精确分子机制仍需系统解析。从转化角度看，解析clastosome形成与活性的调控机制有望为神经退行性疾病及蛋白质稳态异常相关疾病提供新干预靶点，增强核蛋白酶解能力、促进保护性蛋白酶体凝聚体组装或调控SUMO-泛素信号通路均可助力毒性核蛋白清除。近期研究显示p62核体可通过促进致癌c-Myc降解发挥抑癌作用，也为探索clastosome激活在致癌模型肿瘤细胞中恢复蛋白质稳态的潜力提供了新方向。