核仁是細(xì)胞核里有著重要功能的無膜特殊結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)核糖體RNA的生成加工和核糖體的組裝，在顯微鏡下呈現(xiàn)直徑約為0.5-5微米的球狀結(jié)構(gòu)。而核糖體的功能是把RNA翻譯轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)，為生命所必需。

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3月9日，中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心陳玲玲研究組在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表的研究論文對核仁內(nèi)的蛋白質(zhì)進(jìn)行了定位篩選，通過超高分辨成像對200種蛋白質(zhì)在這個“超級工廠”內(nèi)的定位進(jìn)行了詳細(xì)研究。

過去的研究認(rèn)為，核仁由三部分組成：纖維中心(FC)是核心，由致密纖維組分(DFC)包裹形成更大的球體，多個FC/DFC單元鑲嵌在同一顆粒組分(GC)里。通俗地講，核仁就像“超級工廠”一樣，每個FC/DFC單元就是一個“小車間”，每個“小車間”又通過流水線高效聯(lián)系，將新生的核糖體RNA運入GC區(qū)域，也就是最后的統(tǒng)一“包裝站”，完成核糖體組裝，功能復(fù)雜而又重要。

核仁如此重要，但核仁內(nèi)大多數(shù)蛋白質(zhì)的精確定位和功能尚不清楚。這個“超級工廠”是如何將自己復(fù)雜的結(jié)構(gòu)協(xié)同起來一起發(fā)揮作用，由內(nèi)向外加工新生核糖體RNA和組裝核糖體的呢?

陳玲玲研究組在核仁原本的三層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上又發(fā)現(xiàn)了一層包裹在DFC外的新球殼狀區(qū)域，并將其命名為“致密纖維成分外側(cè)區(qū)域”(PDFC)。也就是說每個FC/DFC“小車間”內(nèi)新生的核糖體RNA還需要通過致密纖維成分外側(cè)區(qū)域這個“監(jiān)測站”才能完成最后的核糖體組裝。

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，定位于“監(jiān)測站”的URB1蛋白質(zhì)具有分子量大，流動慢的特征，是調(diào)控新生核糖體RNA?尾端折疊和加工的關(guān)鍵。陳玲玲打比方說，URB1蛋白質(zhì)仿佛一個體型龐大的“哨兵”，“看守”在監(jiān)測站區(qū)域，結(jié)合到由“小車間”運輸而來的新生核糖體RNA尾端，與其他因子一起工作，去除末端。該過程對于核糖體RNA的成熟和核糖體的組裝至關(guān)重要。

“末端剪切完成的核糖體RNA就會被URB1‘哨兵’放行，進(jìn)入GC區(qū)域參與下一步核糖體組裝;一旦URB1‘哨兵’消失，核糖體RNA就會帶著未剪切的尾端涌入GC區(qū)域，造成混亂，使得細(xì)胞無法正常運作，同時也會引來外切酶體復(fù)合物的‘鎮(zhèn)壓’。”陳玲玲進(jìn)一步解釋。

在動物實驗中，研究人員觀察到，缺失了URB1蛋白質(zhì)的斑馬魚會產(chǎn)生頭面部發(fā)育的畸形，無法成活。而URB1蛋白質(zhì)缺失的小鼠胚胎則無法著床，引發(fā)早期死亡。

核仁蛋白質(zhì)協(xié)同核仁精細(xì)結(jié)構(gòu)與pre-rRNA加工的新機制。中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 供圖

此項研究工作多角度剖析了核仁這個“超級工廠”內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了致密纖維組分外側(cè)區(qū)域這一全新結(jié)構(gòu)，通過解析其中URB1的功能，揭示了核仁多層結(jié)構(gòu)與核糖體RNA加工、核糖體組裝的相互協(xié)同作用，為研究核仁作為核糖體RNA“加工廠”的高效運轉(zhuǎn)與質(zhì)控機制提供了全新見解，也為核仁組裝和在胚胎發(fā)育中的潛在影響提供了新的研究思路。

研究工作得到中科院、國家自然科學(xué)基金、科技部和上海市科委等的經(jīng)費資助，并獲得分子細(xì)胞卓越中心細(xì)胞分析技術(shù)平臺、斑馬魚技術(shù)平臺、分子生物學(xué)技術(shù)平臺和浙江大學(xué)良渚實驗室的支持。

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