过氧化物酶体是多种氧化反应发生的细胞器，其中的副产物过氧化氢，可能对蛋白质造成氧化损伤1。自20世纪60年代起就有记载表明，在多数哺乳动物中，过氧化物酶体中存在一种叫类晶核的结构2。但它究竟由什么组成、为什么形成、对细胞有什么作用一直缺乏清晰答案。
2026年11月10日，北京大学、北大-清华生命科学联合中心郭强、陈晓伟团队在《Nature Chemical Biology》发表题为“A conserved urate oxidase helix-tiling assembly promotes metabolic robustness in peroxisomes”的研究论文。研究人员借助原位冷冻电镜断层成像（cryo-ET），在小鼠肝脏的天然环境中追踪这一结构，并进一步确定了其分子组成、组装规律及功能意义。
依托原位冷冻电镜断层成像，团队首次在小鼠肝脏中对过氧化物酶体类晶核进行原位结构表征（图1），发现这不是简单的蛋白晶体，而是一种此前未被描述的高阶组装形式——螺旋平铺（helix tiling）。子断层平均结果显示，其基本重复单元由3根侧向相连的螺旋纤维组成; 单根纤维呈右手双螺旋构象，由5条几乎平行于螺旋轴延伸的原纤维构成；相邻纤维在交界处共享一条原纤维。
通过螺旋重构，在组织样品中最终获得了分辨率约为7 Å的结构。为了回答这些密度究竟是什么，研究人员将过氧化物酶体蛋白组的结构预测模型逐一与实验密度图进行比对。尿酸氧化酶（UOX）与密度图最为匹配；研究人员进一步重组表达小鼠UOX蛋白并解析了其高分辨率四聚体结构，最终确认，这一长期被称为“类晶核”的结构实际上由UOX组成。
图1 哺乳动物肝脏过氧化物酶体类晶核的原位结构
为了进一步确定该结构的精确组装机制，团队利用从肝脏分离的过氧化物酶体进一步获得了单根螺旋3.7 Å分辨率的结构，明确了螺旋结构形成的关键界面和氨基酸组成。通过对哺乳动物 UOX 序列比对显示，这些界面相关残基高度保守，提示该高级组装形式在哺乳动物中也可能高度保守。团队随后对家猪与大鼠肝脏进行数据采集，结果显示二者UOX原位结构重现了小鼠的螺旋平铺组装模式，螺旋参数差异极小。将序列比对结果扩展到脊索动物后，界面相关关键位点出现许多替换，与鱼类、两栖类 UOX 主要以可溶形式存在于基质中的早期观察一致，提示该组装模式是哺乳动物谱系的结构适应，而非尿酸代谢的普遍特征。
值得注意的是，按结晶学限制，该螺旋纤维横截面的五重对称结构无法在空间中密铺，这也意味着UOX按该模式组装无法形成真正的晶体。非对称单元UOX 四聚体具 D2 对称，因此每个四聚体提供两个朝外相同的界面。理论上允许单根纤维向最多五个方向延伸；但多纤维交汇处的空间位阻排除了同时向两个紧邻方向延伸的可能。迭代上述规则可得到单层、弯曲、无分支的片层状延伸（图2），也就是螺旋平铺。
图2 尿酸氧化酶在肝脏中的原位高阶组装模式
在结构基础上，团队对这一高级组装体的功能进行了分析。代谢酶在细胞内常常形成高阶组装，其功能多种多样，例如参与变构调节或失活储存3。量化分析表明小鼠肝脏中超过90%的内源 UOX 处于高级组装状态。组装态与纯化四聚体的相对活性差异不大，且无明显构象变化，说明其不涉及酶活变化和别构调控。团队基于已解析的结构设计了突变体，让UOX在保持四聚体与催化活性的同时，无法组装成高级结构。动物实验表明，在肝脏特异 Uox 敲除背景下用野生型或突变体回补后，突变体小鼠过氧化物酶体中的高阶组装完全消失，细胞器形态未见明显改变，而且血清尿酸与对照无差异。与此同时，组装态的酶热稳定性提升，对蛋白酶K 的耐受增强；回补小鼠的原代肝细胞经10 mM 3-AT 处理后，组装态 UOX 的游离半胱氨酸水平与质谱检测的总体氧化修饰水平均低于突变体。据此可以认为，组装的作用在于提高分子稳定性，使酶在高过氧化氢的基质中维持长期催化输出。
人类UOX在演化过程中失活，尿酸因此成为嘌呤代谢的终产物。现有重组尿酸酶药物，如Rasburicase和Pegloticase，受到半衰期较短和免疫原性等因素的限制。本研究并未直接检验组装对药物疗效的影响，但提示UOX具有一定的内在自组装倾向。未来在治疗性尿酸酶的设计和制剂开发中，或可进一步评估其寡聚状态对有效粒径、扩散行为、局部微环境及分子稳定性的影响。
北京大学、北大-清华生命科学联合中心郭强研究员与陈晓伟教授为本文通讯作者。生命科学学院2022级博士研究生杨钧瀚、已出站博士后陈喆、未来技术学院2022级博士研究生王镛伦为本文的共同第一作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金，以及生命科学联合中心等资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41589-026-02372-1
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1. Lodhi, I. J. & Semenkovich, C. F. Peroxisomes: A Nexus for Lipid Metabolism and Cellular Signaling. Cell Metabolism 19, 380–392 (2014).
2. Hruban, Z. & Swift, H. URICASE: LOCALIZATION IN HEPATIC MICROBODIES. Science (New York, N.Y.) 146, 1316-1318 (1964).
3. Hvorecny, L. K., Kollman, M. J. Greater than the sum of parts: Mechanisms of metabolic regulation by enzyme filaments. Current Opinion in Structural Biology. 79, 102530 (2023)
