CPR | 热应激诱导核内陷与蛋白质代谢的空间区室化机制研究

热应激是细胞面临的常见环境挑战，可引发蛋白质聚集、细胞骨架重排等多种损伤，同时激活包括热休克反应（HSR）在内的保守应激应答机制。然而，这些应激反应在亚细胞水平的协同调控方式仍有待深入解析。近期，中山大学骆观正教授团队在Cell Proliferation 上发表了题为：“Heat Stress Triggers Nuclear Invagination and Spatial Compartmentalization of Protein Metabolism”的原创性研究，该研究首次发现热应激可诱导细胞产生可逆的核内陷形态变化，并揭示该结构作为蛋白质代谢特化区室，通过空间组织优化应激应答的全新机制，为理解细胞应激适应提供了重要的新视角。

热应激对细胞代谢和生理活动具有深远影响，其应答过程涉及应激强度、细胞类型、微环境等多种因素的调控。高温可触发细胞骨架重排、蛋白质聚集、细胞器定位异常等一系列变化，威胁细胞稳态。作为经典的应激防御机制，热休克反应通过激活热休克转录因子1（HSF1），驱动热休克蛋白（HSPs）表达，以维持蛋白质稳态。此外，细胞还通过长链非编码RNA调控转录抑制、eIF2磷酸化介导翻译抑制、泛素-蛋白酶体系统激活等多种途径应对热应激。

尽管目前对热应激相关分子通路的研究已取得显著进展，但这些应答在亚细胞水平的空间组织与协同方式仍未被充分探索。传统研究多聚焦于分子层面的信号传导，而对细胞形态重塑在应激应答中的功能关注较少。基于此，中山大学研究团队系统探究了热应激诱导的亚细胞形态变化，发现核内陷这一全新表型，并深入解析了其调控机制与生理功能。

1. 热应激诱导可逆性核内陷表型的鉴定与特征分析

研究团队将HEK293T细胞置于43°C热应激条件下处理3小时，通过核被膜标志物Lamin B1（LB1）的免疫荧光染色，发现大量细胞出现肾形核内陷表型。三维成像与透射电子显微镜分析进一步证实了该核形态变化，表现为核收缩与内陷特征。为量化核内陷程度，研究采用圆形度（Circ=4π×S/C²）作为评估指标，圆形度越低表明核形态越不规则、内陷越明显（如图1所示）。

进一步实验表明，核内陷表型具有温度和时间依赖性：温度从40°C升高至43°C时，核圆形度逐渐降低，内陷细胞比例显著增加；43°C条件下延长处理时间，核内陷程度呈时间依赖性增强，处理1小时后约三分之二的细胞出现内陷表型。该表型具有细胞类型普遍性，HeLa和Huh7细胞在相同热应激条件下均会出现核内陷；同时具有可逆性，43°C处理1小时后，细胞在37°C恢复培养20小时，核内陷表型完全消失，核圆形度恢复至正常水平。流式细胞术与活细胞成像实验证实，该表型与细胞凋亡无关，是细胞主动的应激适应反应。

图1. 热应力会诱导动态且可逆的核内陷表型。

2. 核内陷伴随中间丝塌陷与细胞器聚集

热应激引发核内陷的同时，亚细胞结构发生协同重塑。免疫荧光分析显示，微丝与微管的分布未受明显影响，但中间丝网络发生显著重组——正常情况下弥散分布于细胞质的中间丝，在热应激后塌陷并聚集于核周围。RNA测序与蛋白质组学分析表明，中间丝的重组并非由其表达水平变化介导，而是与磷酸化修饰相关：热应激后中间丝蛋白波形蛋白（Vimentin）的S56位点磷酸化水平降低，恢复培养后磷酸化水平回升，提示磷酸化修饰可能调控中间丝的组装与溶解性。

中间丝网络与细胞器定位密切相关，研究发现热应激下线粒体与溶酶体在核内陷区域聚集，恢复培养后该聚集现象随核内陷消失而逆转。此外，热应激还诱导应激颗粒形成与核仁解体，这些亚细胞结构的协同变化表明核内陷与细胞器空间重排共同构成细胞应对热应激的整合性反应。

3. 核内陷区域作为蛋白质代谢特化区室的功能解析

为明确核内陷区域的功能，研究通过甲硫氨酸类似物HPG（L-高炔丙基甘氨酸）标记新生多肽，结合点击化学荧光成像，发现核内陷区域的新生蛋白质富集程度显著高于细胞其他部位。蛋白质组学分析显示，这些富集的新生蛋白质中，蛋白酶体介导的蛋白质降解通路相关蛋白显著富集，包括PSMA4、PSMB6等核心蛋白酶体亚基；同时还包含能量代谢与活性氧（ROS）清除相关酶类，如ATP合酶（ATP5L）、超氧化物歧化酶（SOD2）和过氧化物酶（PRDX4）（如图2所示）。

图2. 新合成蛋白质合成在热应激下的空间重编程。

进一步通过APEX2介导的邻近标记技术，以波形蛋白为核内陷区域空间标志物，鉴定到该区域富集泛素化和蛋白酶体依赖的降解通路相关蛋白，以及核结构、核质运输、核糖体生物发生相关因子。免疫荧光实验证实，核内陷区域存在泛素结合物与溶酶体富集，提示该区域蛋白质降解需求升高。药物干预实验显示，蛋白酶体抑制剂MG132和硼替佐米（BTZ）可诱导核内陷形成并降低核圆形度；而翻译抑制剂环己酰亚胺（CHX）可抑制热应激或MG132诱导的核内陷，该调控关系在HEK293T、HeLa和Huh7细胞中均成立，证实核内陷与细胞蛋白质降解需求密切相关。

4. 核内陷对细胞热应激适应的关键作用

为验证核内陷的生理功能，研究用CHX抑制核内陷形成后，评估细胞在热应激下的存活能力。CCK-8实验显示，缺乏核内陷的细胞在热应激期间及恢复阶段的存活率显著降低；ATP与ROS检测表明，这些细胞的ATP水平呈下降趋势，ROS水平呈升高趋势，提示核内陷可能通过维持代谢稳态与 redox平衡促进细胞存活。

不同细胞系的热耐受性比较实验显示，细胞形成核内陷的能力与其热耐受性相关：HEK293T细胞热耐受性最低，但其核内陷形成能力最强；HeLa细胞热耐受性最高，核内陷形成程度最低。这一结果表明，核内陷可能是热耐受性较弱细胞的补偿性保护机制，通过空间组织蛋白质代谢增强应激适应能力（如图3所示）。

图3. 核内陷维持细胞在热应激下的存活能力，并与细胞耐热性相关。

5. 核内陷调控机制的初步探索

研究通过CRISPR-Cas9技术敲低或过表达核完整性、细胞骨架动力学、应激信号通路相关候选基因（包括LINC复合体组分、染色质重塑因子、核孔复合体组分、细胞骨架蛋白、核仁蛋白等），并使用JNK、p38、ERK MAP激酶通路抑制剂进行干预，发现单独扰动这些候选基因或信号通路均无法显著影响核内陷表型。这提示核内陷可能是由细胞整体状态变化（如蛋白质稳态应激、细胞骨架重组）引发的涌现性特征，而非由单一线性通路调控，其形成可能依赖于多系统的功能冗余与协同作用。

1. 科学理论价值

该研究首次发现并系统表征了热应激诱导的可逆性核内陷表型，揭示了一种全新的亚细胞水平应激应答机制，填补了热应激应答在空间组织层面的研究空白。研究证实核内陷区域作为蛋白质代谢特化区室，通过富集新生蛋白质与降解 machinery，协调蛋白质合成与降解过程，为细胞在热应激下维持蛋白质稳态提供了空间调控机制。此外，核内陷与中间丝塌陷、细胞器聚集的协同关系，拓展了对亚细胞结构协同重塑在应激适应中作用的理解，为解析细胞应激应答的整合性调控网络提供了新视角。

2. 临床应用价值

热疗作为癌症辅助治疗手段，通过高温杀伤癌细胞，该研究揭示的核内陷机制为优化热疗策略提供了理论依据：不同细胞系的核内陷形成能力与热耐受性相关，可据此预测癌细胞对热疗的敏感性，设计个体化热疗方案。此外，核内陷与疾病相关核形态异常具有形态相似性，但前者是可逆的应激适应反应，后者是持续性病理变化，该研究为解析核包膜异常相关疾病（如癌症、衰老、心肌病）的发病机制提供了参考，提示病理性核形态异常可能源于蛋白质代谢重塑的调控紊乱。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/cpr.70196

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通讯作者简介

骆观正教授，现任中山大学医学院生命科学学院教授，教育部基因功能与调控重点实验室、国家生物防治重点实验室核心成员，香港中山大学高等研究院研究员。致力于多学科交叉形成的方法创新和科学发现，以核酸修饰作为切入点，理解表观遗传、发育重编程、细胞应激等有趣生命现象背后的分子机理。另一方面，通过人工合成和工程化设计，将我们对基因表达调控的理解应用到基因治疗上，发展下一代核酸药物，推动人类健康事业。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等多项国家级课题，在细胞应激的空间调控、合成生物学技术开发等领域有深入研究。