近日，中國科學院分子細胞科學卓越創新中心研究員陳玲玲團隊解析了構成核糖體大小亞基的rRNA前體（pre-rRNA）在核仁中的動態成熟過程，發現了核糖體小亞基（SSU）pre-rRNA的加工效率直接調控核仁內層結構的穩定性，并揭示了pre-rRNA加工的時空分布模型在多層核仁形成和進化中的關鍵作用。
核仁是真核細胞中合成核糖體RNA（rRNA）的核心場所，其空間結構復雜且高度動態。核仁由多個不同的區室在三維空間中嵌套而成，從內向外依次包括纖維中心（FC）、致密纖維組分（DFC）、致密纖維組分外側區域（PDFC）和顆粒區（GC）。這些區室各司其職，協同完成核糖體前體RNA轉錄、加工修飾及核糖體亞基的組裝等關鍵步驟。其高效有序的運行對維持細胞正常生命活動至關重要。但是，pre-rRNA復雜的加工成熟過程如何在核仁高級結構中完成以及核仁的“結構-功能”關系尚不清楚。
陳玲玲團隊致力于lncRNA代謝與功能研究。團隊圍繞前期報道的兩端由小核仁RNA保護的長非編碼RNA?SLERT，首次將超高分辨率成像技術應用于核仁研究，揭示了SLERT精準定位于DFC層，作為超低劑量“分子伴侶”調控效應蛋白質聚集，促進RNA聚合酶I轉錄和rRNA合成；解析了核仁的精細亞結構，提出pre-rRNA 5′端定向轉運促進DFC層組裝的新機制，發現核仁新亞結構層PDFC，闡明其在pre-rRNA 3′端成熟中的關鍵作用，更新核仁“經典三層結構”為“四層結構”模型，拓展了核仁“結構-功能”關系的認知。
該研究整合點擊化學和脈沖標記、單分子RNA成像、高分辨率成像和定量質譜分析等技術手段，從空間和時間兩個維度解析了pre-rRNA的分布與加工軌跡。研究發現，小亞基（SSU）pre-rRNA主要分布于核仁內層的FC至PDFC區域，其主要加工過程可在標記早期（0至30分鐘）完成；而大亞基（LSU）pre-rRNA則富集于PDFC至GC區域，其加工逐步在標記晚期（30至60分鐘）完成，揭示了核糖體大小亞基前體RNA在核仁中加工的時空分離機制。
同時，該研究對比了不同增殖速率細胞中核仁結構與pre-rRNA空間分布和加工動力學的差異。在增殖緩慢的細胞中，FC-DFC單元呈現數量減少、體積增大的特征，SSU pre-rRNA加工效率降低，且在核仁內出現積聚，向核仁外層區域的遷移受阻。研究以“FC/DFC相對界面面積”為幾何參數，定量描述結構變化。研究發現，FC/DFC相對界面面積與SSU pre-rRNA的加工速率相關。這提示，SSU pre-rRNA的加工與核仁內層FC-DFC結構存在調控關系。
進一步，為探討pre-rRNA加工過程與核仁結構之間的調控機制，該研究采用靶向pre-rRNA加工位點的反義寡核苷酸，特異性阻斷其加工過程。實驗結果顯示，SSU加工阻斷導致SSU pre-rRNA在核仁中異常積聚和定位偏移，并引起FC-DFC結構膨脹甚至破裂；FC/DFC相對界面面積顯著減少，重現了低增殖狀態細胞中觀察到的核仁結構變化。這表明，FC-DFC單元是SSU pre-rRNA加工的主要場所，其三維結構的穩定性依賴于加工動態活動。Pre-rRNA加工與核仁結構之間形成相互協同調控的關系。這為理解核仁亞結構的形成機制及空間功能分化提供了新視角，并為在調控核糖體生成以及細胞增殖方面的靶向干預奠定了理論基礎。
在進化過程中，低等無羊膜動物的核仁僅由Fibrillar zone（FZ）和Granular zone （GZ）兩個區域組成，內層的FZ區域不會分離形成FC-DFC雙層結構。核仁內層區域是SSU pre-rRNA的核心分布區域，這提示多層核仁結構的出現可能與pre-rRNA的加工效率相關。該研究對比了多層結構核仁與雙層結構核仁在pre-rRNA加工效率方面的差異。結果顯示，多層結構核仁中pre-rRNA的向外擴散速率數倍于兩層結構核仁，表明核仁高級結構的出現可能在進化過程中賦予細胞更高效的核糖體合成能力，以更好地適應不同的生理與增殖需求。
上述研究基于實際的細胞生理狀態，建立了pre-rRNA加工功能與核仁多層結構之間的直接關聯，揭示了核仁“結構–功能”的協同調控機制，拓展了對于核仁空間功能組織模式的理解，為探究核糖體相關疾病的發生機制以及開發潛在干預策略奠定了基礎。
7月23日，相關研究成果以Pre-rRNA spatial distribution and functional organisation of the nucleolus為題，發表在《自然》（Nature）上。研究工作得到科學技術部和中國科學院等的支持。
論文鏈接
pre-rRNA加工與核仁高級結構協同調控以響應不同細胞狀態需求
本文鏈接：核糖體RNA加工的時空分布與核仁高級結構的協同調控機制獲揭示http://www.sq15.cn/show-12-1518-0.html
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