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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（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）陳玲玲研究組在《自然》（Nature）上，在線發(fā)表了題為Nucleolar URB1 ensures 3' ETS rRNA removal to prevent exosome surveillance的研究論文。該工作利用高分辨率活細(xì)胞顯微成像技術(shù)，通過篩選200個核仁候選蛋白質(zhì)發(fā)現(xiàn)12個在纖維中心/致密纖維組分（FC/ DFC）外圍富集的蛋白質(zhì)，并命名該區(qū)域?yàn)橹旅芾w維組分外側(cè)區(qū)域（periphery of DFC,PDFC）。研究解析發(fā)現(xiàn)，位于PDFC的URB1（unhealthy ribosome protein 1）是一種具有非流動特征的核仁蛋白質(zhì)，對維持PDFC的完整性、錨定pre-rRNA 3’端及保證其正確折疊和加工起到重要作用。該工作揭示了核仁的超微精細(xì)結(jié)構(gòu)，為解析核仁的功能和結(jié)構(gòu)提供了全新見解，并為探索核仁蛋白質(zhì)在pre-rRNA加工中的功能協(xié)調(diào)以及對核糖體生成和胚胎發(fā)育影響提供了全新思路。
陳玲玲研究組長期致力于lncRNA代謝與功能的研究。前期研究通過non-poly(A)測序（Yang et al., Genome Biol 2011）發(fā)現(xiàn)一類新型lncRNA家族。它們來自內(nèi)含子，兩端以snoRNA結(jié)尾，被命名為sno-lncRNA（Yin et al., Molecular Cell 2012）。SLERT是其中一個sno-lncRNA，完全定位在細(xì)胞核仁（Xing et al., Cell 2017）。核仁是細(xì)胞核內(nèi)一個復(fù)雜且高度動態(tài)變化的無膜亞結(jié)構(gòu)，是細(xì)胞核內(nèi)核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）的加工廠。它在調(diào)節(jié)rRNA的轉(zhuǎn)錄、加工以及核糖體亞基組裝中具有重要作用。核仁在形態(tài)上由內(nèi)而外可以分為三層結(jié)構(gòu)——多個纖維中心（Fibrillar Center，F(xiàn)C）和致密纖維組分（Dense Fibrillar Component，DFC）形成球狀結(jié)構(gòu)鑲嵌在顆粒區(qū)（Granular Component，GC）內(nèi)。既往研究表明，SLERT直接結(jié)合核仁蛋白DDX21并調(diào)控其形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的大小進(jìn)而促進(jìn)RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄（Xing et al., Cell 2017；Wu et al., Science 2021）。RNA聚合酶I轉(zhuǎn)錄復(fù)合物聚集在FC區(qū)域邊緣對核糖體DNA（rDNA）進(jìn)行轉(zhuǎn)錄；rRNA前體（pre-rRNA）加工蛋白質(zhì)在DFC區(qū)域參與調(diào)控rRNA前體的定向轉(zhuǎn)運(yùn)和核仁DFC環(huán)簇狀結(jié)構(gòu)的組裝（Yao et al., Molecular Cell 2019）。這些在FC/DFC單元產(chǎn)生的rRNA占細(xì)胞內(nèi)總RNA的約85%，因而在FC/DFC中rRNA成熟的過程是一個受到精密調(diào)控的過程。加工修飾完成的pre-rRNA進(jìn)入GC區(qū)域參與核糖體亞基的組裝。核仁的重要功能毋庸置疑，但多數(shù)核仁蛋白質(zhì)的精確定位及其如何參與pre-rRNA高效有序加工等基礎(chǔ)生物學(xué)問題尚不清楚。
研究利用CRISPR/Cas9技術(shù)構(gòu)建了DFC/GC雙色熒光蛋白質(zhì)標(biāo)記的參考細(xì)胞系，在此細(xì)胞系內(nèi)對200個核仁候選蛋白質(zhì)進(jìn)行了高分辨率的活細(xì)胞成像，并篩選到140個定位在細(xì)胞核仁不同亞結(jié)構(gòu)區(qū)域的蛋白質(zhì)。對這140個核仁蛋白質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，12個蛋白質(zhì)定位于DFC外部，形成厚度約為200 nm的球殼狀新結(jié)構(gòu)，被命名為PDFC。研究進(jìn)一步利用光學(xué)超分辨顯微成像系統(tǒng)性地完善了核仁的精細(xì)亞結(jié)構(gòu)分析，為更好地解析核仁組織結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制奠定了重要基礎(chǔ)。
研究發(fā)現(xiàn)，PDFC關(guān)鍵蛋白質(zhì)URB1具有分子量大、流動性慢的特征，對于維持PDFC的結(jié)構(gòu)和功能頗為重要。此外，URB1還參與調(diào)控pre-rRNA 3’末端ETS 區(qū)域 （External transcribed spacer， ETS）折疊和加工。URB1在PDFC的定位參與了3’ETS的錨定、折疊與去除。URB1缺失導(dǎo)致3’ETS折疊異常，U8 snoRNA與pre-rRNA的結(jié)合受阻，導(dǎo)致3’ETS的加工異常。
這些異常的pre-rRNA中間產(chǎn)物在核仁中大量累積，進(jìn)而激活RNA穩(wěn)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（RNA Exosome）在核仁發(fā)揮活性，引發(fā)異常pre-rRNA的降解，致使成熟的28S rRNA減少，無法維持細(xì)胞內(nèi)核糖體的穩(wěn)態(tài)和蛋白質(zhì)合成，因而造成斑馬魚和小鼠的早期發(fā)育缺陷，甚至死亡。
該工作利用超高分辨率生物成像、單分子RNA成像、RNA二級結(jié)構(gòu)解析以及動物模型等多種研究手段，全面揭示了核仁精細(xì)結(jié)構(gòu)與pre-rRNA的加工相互協(xié)同，共同維持核仁內(nèi)微環(huán)境穩(wěn)定，為認(rèn)識核仁功能提供了全新見解。此外，該研究證明了URB1這類非流動性蛋白質(zhì)在核仁液-液相分離環(huán)境中的關(guān)鍵組織作用，為探究三維pre-rRNA加工機(jī)制、核仁組裝形成和功能提供了新思路。
研究工作得到中科院、國家自然科學(xué)基金、科技部和上海市科學(xué)技術(shù)委員會等的資助，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(shí)驗(yàn)室的支持。
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