蛋白质异常聚集是多种神经退行性疾病的重要病理特征。神经元核内包涵体病（Neuronal Intranuclear Inclusion Disease，NIID）是一类以泛素和p62阳性核内聚集体为典型病理特征的神经退行性疾病。其发生与NOTCH2NLC基因5′非翻译区GGC重复扩增密切相关。该重复扩增可产生多聚甘氨酸蛋白（polyglycine，polyG），后者在细胞核内异常累积，形成NIID的特征性病理聚集体。然而，此类聚集体长期以来主要作为病理诊断标志被认识，其在细胞和组织原位环境中的三维结构、组装状态及潜在致病机制仍缺乏直接证据。如何在接近真实生理状态的细胞和病理组织中解析这些聚集体的原位结构，并进一步理解其与细胞稳态失衡之间的关系，是该领域的重要问题。

近日，中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心刘聪团队与中南大学湘雅医院唐北沙/刘琼团队、南方科技大学田瑞军团队及北京大学郭强团队合作在Advanced Science发表题为“PolyG Fibrils Coalesce Into Nuclear Ribbons That Engage Proteostasis Machinery in Neuronal Intranuclear Inclusion Disease”的研究论文。研究结合冷冻电子断层成像（Cryo-electron tomography，Cryo-ET）、原位冷冻电镜关联成像和邻近蛋白质组学等方法，揭示了NIID小鼠脑内polyG聚集体的原位三维结构及其局部蛋白质稳态微环境。

研究团队首先构建了可重现NIID主要病理特征的Nestin-NIID转基因小鼠模型。该模型脑内形成广泛的polyG核内聚集体，并呈现与患者组织相近的病理和超微结构特征。研究人员进一步从小鼠脑组织中提取polyG聚集体并进行Cryo-ET分析，发现其基本单元为约5 nm的分支状纤维；这些纤维可发生横向缔合，形成致密的带状结构。该结果为后续原位解析提供了结构线索。

传统电镜方法难以在厚脑组织中精准定位目标聚集体，也难以兼顾组织天然状态的保存。为此，研究团队建立了示踪分子引导的组织原位Cryo-ET工作流程：利用示踪剂定位聚集体富集区域，结合组织原位高压冷冻、冷冻荧光关联定位、冷冻聚焦离子束切削及Serial Lift-Out制样，制备适于断层成像的脑组织薄片。该流程使研究人员能够在完整、天然未固定的NIID小鼠脑组织中，对目标polyG聚集体开展精准原位靶向和结构表征。

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图1：示踪剂引导的组织原位Cryo-ET揭示polyG聚集体三维结构

原位Cryo-ET结果表明，polyG聚集体位于完整的神经元细胞核内，核心区域电子密度较高，外围则分布较为疏松的纤维状物质。对来自6个独立聚集体的33个断层数据进行分析发现，带状结构是聚集体核心和外围的主要组织形态；其外围带状结构更长、更疏松，核心中的带状结构则更加紧密，并保持“分支纤维-横向缔合-带状聚集”的层级组装特征。

在此基础上，研究团队采用基于辣根过氧化物酶的原位邻近标记和质谱分析，系统鉴定polyG聚集体邻近蛋白质组。结果显示，蛋白酶体亚基、HSP90等分子伴侣及多种蛋白质质量控制相关组分在polyG聚集体附近显著富集。原位Cryo-ET进一步在带状结构之间观察到与蛋白酶体大小和形态相符的环状或桶状颗粒，且其紧邻甚至接触polyG带状结构。

图2：邻近蛋白质组学揭示了polyG聚集体富集蛋白质稳态相关分子机器

该研究表明，NIID中polyG聚集体具有不同于经典淀粉样纤维的超分子组织原则：低复杂度polyG可由分支纤维经横向堆积形成致密的核内带状支架。该支架可能持续招募蛋白酶体和分子伴侣等蛋白质质量控制组分，既可能反映细胞对异常聚集体的清除应答，也可能造成相关机器滞留或过载，从而影响细胞蛋白质稳态。该工作不仅为理解NIID核内聚集体的形成机制提供了原位结构依据，也为认识非经典致病蛋白聚集体如何重塑细胞蛋白质稳态环境提供了新的研究框架。

本研究由中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心刘聪研究员、中南大学湘雅医院刘琼教授、南方科技大学田瑞军教授和北京大学郭强研究员担任共同通讯作者。中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心博士研究生董辉、中南大学湘雅医院潘永诚、南方科技大学博士研究生汤智瑶和上海交通大学博士研究生姚语萱为共同第一作者。本研究受到中国科学院、国家自然科学基金委、上海市科委及上海尚思自然科学研究院的支持。

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.76630