3月9日，中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心（生物化學與細胞生物學研究所）陳玲玲研究組在國際學術期刊Nature上在線發(fā)表題為“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胞顯微成像技術，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)域為致密纖維組分外側區(qū)域（periphery of DFC,PDFC）。深入解析發(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至關重要的作用。該工作揭示了核仁的超微精細結構，為解析核仁的功能和結構提供全新見解，為深入研究核仁蛋白質(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結尾，研究人員將其命名為sno-lncRNA（Yin et al., Mol Cell 2012）。SLERT 是其中一個sno-lncRNA，完全定位在細胞核仁(Xing et al., Cell 2017)。核仁是細胞核內(nèi)一個復雜且高度動態(tài)變化的無膜亞結構，是細胞核內(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發(fā)揮著重要作用。核仁在形態(tài)上由內(nèi)而外可以分為三層結構：多個纖維中心（Fibrillar Center, FC）和致密纖維組分（Dense Fibrillar Component, DFC）形成球狀結構鑲嵌在顆粒區(qū)（Granular Component, GC）內(nèi)。之前的研究表明SLERT直接結合核仁蛋白DDX21并調(diào)控其形成的環(huán)狀結構的大小進而促進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)錄復合物聚集在FC區(qū)域邊緣對核糖體DNA（rDNA）進行轉(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)運和核仁DFC環(huán)簇狀結構的組裝(Yao et al., Mol Cell 2019)。這些在FC/DFC單元產(chǎn)生的rRNA占細胞內(nèi)總RNA的約85%，因此在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，但大多數(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生物學問題尚不清楚。
研究人員利用CRISPR/Cas9技術構建了DFC/GC雙色熒光蛋白質(zhì)標記的參考細胞系，在此細胞系內(nèi)對200個核仁候選蛋白質(zhì)進行了高分辨率的活細胞成像，并篩選到140個定位在細胞核仁不同亞結構區(qū)域的蛋白質(zhì)。對這140個核仁蛋白質(zhì)的深入研究發(fā)現(xiàn)，12個蛋白質(zhì)定位于DFC外部，形成厚度約為200 nm的球殼狀新結構，被命名為PDFC。研究人員進一步利用光學超分辨顯微成像系統(tǒng)性地完善了核仁的精細亞結構分析，為更好地認識核仁組織結構和工作機制提供了重要基礎。
研究人員發(fā)現(xiàn)PDFC關鍵蛋白質(zhì)URB1具有分子量大，流動性慢的特征，對于維持PDFC的結構和功能至關重要。此外它還參與調(diào)控pre-rRNA 3’末端ETS 區(qū)域 （External transcribed spacer， ETS）折疊和加工。其在PDFC的定位參與了3’ETS的錨定、折疊與去除。URB1缺失導致3’ETS折疊異常，U8 snoRNA與pre-rRNA的結合受阻，從而導致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，導致成熟的28S rRNA減少，無法維持細胞內(nèi)核糖體的穩(wěn)態(tài)和蛋白質(zhì)合成，因此造成斑馬魚和小鼠的早期發(fā)育缺陷，甚至死亡。
此項研究工作利用超高分辨率生物成像、單分子RNA成像、RNA二級結構解析以及動物模型等多種研究手段，全面揭示了核仁精細結構與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，為認識核仁功能提供了全新的見解。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)境中的關鍵組織作用，為深入理解三維pre-rRNA加工機制、核仁組裝形成和功能提供了新的思路。
分子細胞卓越中心陳玲玲研究組博士研究生單琳和許光（現(xiàn)為麻省理工學院博士后）為該論文的共同第一作者，分子細胞卓越中心研究員、新基石研究員陳玲玲為該論文通訊作者。特別感謝復旦大學生物醫(yī)學研究院/復旦大學附屬兒童醫(yī)院楊力研究員、分子細胞卓越中心李勁松院士、清華大學俞立教授和北京協(xié)和醫(yī)院醫(yī)學科學研究中心黃超蘭教授的大力幫助。該工作同時得到分子細胞卓越中心細胞分析技術平臺、斑馬魚技術平臺、分子生物學技術平臺和浙江大學良渚實驗室的支持，以及來自中科院、基金委、科技部和上海市科委等部門的經(jīng)費資助。陳玲玲研究員致謝科學探索獎的支持。
核仁蛋白質(zhì)協(xié)同核仁精細結構與pre-rRNA加工的新機制
