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，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。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(gè)“超級(jí)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?
2023年3月9日，中國(guó)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表的研究論文對(duì)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(duì)200種蛋白質(zhì)在這個(gè)“超級(jí)工廠”內(nèi)的定位進(jìn)行了詳細(xì)研究。研究組博士研究生單琳和許光(現(xiàn)為麻省理工學(xué)院博士后)為論文的共同第一作者，分子細(xì)胞卓越中心研究員、新基石研究員陳玲玲為論文通訊作者。
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(gè)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(jí)工廠”一樣，每個(gè)FC/DFC單元就是一個(gè)“小車間”，每個(gè)“小車間”又通過流水線高效聯(lián)系，將新生的核糖體RNA運(yùn)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。
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(gè)FC/DFC“小車間”內(nèi)新生的核糖體RNA還需要通過PDFC這個(gè)“監(jiān)測(cè)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PDFC“監(jiān)測(cè)站”的URB1蛋白質(zhì)是調(diào)控新生核糖體RNA尾端折疊和加工的關(guān)鍵。URB1蛋白質(zhì)具有分子量大，流動(dòng)慢的特征。它仿佛一個(gè)體型龐大的“哨兵”，“看守”在PDFC區(qū)域，結(jié)合到由FC/DFC“小車間”運(yùn)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(duì)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(huì)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(huì)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(yùn)作，同時(shí)也會(huì)引來外切酶體復(fù)合物的“鎮(zhèn)壓”。
在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，研究人員觀察到，缺失了URB1蛋白質(zhì)的斑馬魚會(huì)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。
此項(xiàng)研究工作多角度剖析了核仁這個(gè)“超級(jí)工廠”內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了PDFC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(yùn)轉(zhuǎn)與質(zhì)控機(jī)制提供了全新的見解，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。
該工作得到復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院/復(fù)旦大學(xué)附屬兒童醫(yī)院楊力研究員、中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李勁松研究員、清華大學(xué)俞立教授和北京協(xié)和醫(yī)院醫(yī)學(xué)科學(xué)研究中心黃超蘭教授的大力幫助。同時(shí)得到分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心細(xì)胞分析技術(shù)平臺(tái)、斑馬魚技術(shù)平臺(tái)、分子生物學(xué)技術(shù)平臺(tái)和浙江大學(xué)良渚實(shí)驗(yàn)室的支持，以及來自中科院、基金委、科技部、上海市科委等部門的經(jīng)費(fèi)資助。
原載于東方網(wǎng) 2023年3月9日
作者：傅文婧
