Nature：陈玲玲团队发现核仁新结构调控核糖体 RNA 末端加工重要机制

核糖体 RNA 和核糖体亚基在核仁内高效有序加工和组装

核仁的重要功能毋庸置疑，但大多数核仁蛋白质的精确定位及其如何参与 pre-rRNA 高效有序加工等基础生物学问题尚不清楚。

2023 年 3 月 8 日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）陈玲玲研究组在  Nature  发表了题为：Nucleolar URB1 ensures 3' ETS rRNA removal to prevent exosome surveillance  的研究论文。

该工作利用高分辨率活细胞显微成像技术，通过筛选 200 个核仁候选蛋白质发现 12 个在纤维中心/致密纤维组分（FC/ DFC）外围富集的蛋白质，并命名该区域为致密纤维组分外侧区域（periphery of DFC，PDFC）。深入解析发现，位于 PDFC 的 URB1（unhealthy ribosome protein 1）是一种具有非流动特征的核仁蛋白质，对维持 PDFC 的完整性、锚定 pre-rRNA 3' 端及保证其正确折叠和加工起到至关重要的作用。

该工作揭示了核仁的超微精细结构，为解析核仁的功能和结构提供全新见解，为深入研究核仁蛋白质在 pre-rRNA 加工中的功能协调以及对核糖体生成和胚胎发育影响提供全新思路。研究团队利用 CRISPR/Cas9 技术构建了 DFC/GC 双色荧光蛋白质标记的参考细胞系，在此细胞系内对 200 个核仁候选蛋白质进行了高分辨率的活细胞成像，并筛选到 140 个定位在细胞核仁不同亚结构区域的蛋白质。对这 140 个核仁蛋白质的深入研究发现，12 个蛋白质定位于 DFC 外部，形成厚度约为 200 nm 的球壳状新结构，被命名为 PDFC。研究人员进一步利用光学超分辨显微成像系统性地完善了核仁的精细亚结构分析，为更好地认识核仁组织结构和工作机制提供了重要基础。

高分辨率活细胞筛选发现核仁全新特征区域-PDFC

研究团队发现 PDFC 关键蛋白质 URB1 具有分子量大，流动性慢的特征，对于维持 PDFC 的结构和功能至关重要。此外它还参与调控 pre-rRNA 3' 末端 ETS 区域  （External transcribed spacer，ETS）折叠和加工。其在 PDFC 的定位参与了 3'ETS 的锚定、折叠与去除。URB1 缺失导致 3'ETS 折叠异常，U8 snoRNA 与 pre-rRNA 的结合受阻，从而导致 3'ETS 的加工异常。

PDFC 关键蛋白质 URB1 调控 pre-rRNA 3' 末端的折叠和加工 a-d:Northern Blot 结果表明 URB1 蛋白质调控 pre-rRNA 加工；e:iCLIP 实验结果证明 URB1 结合在 pre-rRNA 3' 末端；f-h：SHAPE-MaP 实验发现 URB1 参与调控 pre-rRNA 3' 末端折叠及与 U8 snoRNA 的结合；i: 体外结合实验表明 URB1 蛋白质缺失导致 U8 snoRNA 与 pre-rRNA 的结合受阻；j: 新生 RNA 标记实验证明 URB1 蛋白质缺失将导致 pre-rRNA 无法有序运输

这些异常的 pre-rRNA 中间产物在核仁中大量累积，进而激活 RNA 稳态监控系统（RNA Exosome）在核仁发挥活性，引发异常 pre-rRNA 的降解，导致成熟的 28S rRNA 减少，无法维持细胞内核糖体的稳态和蛋白质合成，因此造成斑马鱼和小鼠的早期发育缺陷，甚至死亡。

PDFC 蛋白质 URB1 调控 pre-rRNA 生成及胚胎发育。a.12 个 PDFC 蛋白质的超高分辨率细胞成像 b.Urb1 敲除导致斑马鱼颅骨发育异常 c.URB1 缺失导致 3' ETS 异常保留的 pre-rRNA 在核仁内累积 d.URB1 缺失激活 RNA 稳态监控系统在核仁发挥活性

这项研究工作利用超高分辨率生物成像、单分子 RNA 成像、RNA 二级结构解析以及动物模型等多种研究手段，全面揭示了核仁精细结构与 pre-rRNA 的加工相互协同，共同维持核仁内微环境稳定，为认识核仁功能提供了全新的见解。此外，该研究证明了 URB1 这类非流动性蛋白质在核仁液-液相分离环境中的关键组织作用，为深入理解三维 pre-rRNA 加工机制、核仁组装形成和功能提供了新的思路。

核仁蛋白质协同核仁精细结构与 pre-rRNA 加工的新机制

 

中科院分子细胞卓越中心陈玲玲研究组博士研究生单琳和许光（现为麻省理工学院博士后）为该论文的共同第一作者，分子细胞卓越中心研究员、新基石研究员陈玲玲为该论文通讯作者。特别感谢复旦大学生物医学研究院/复旦大学附属儿童医院杨力研究员、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心李劲松院士、清华大学俞立教授和北京协和医院医学科学研究中心黄超兰教授的大力帮助。该工作同时得到分子细胞科学卓越创新中心细胞分析技术平台、斑马鱼技术平台、分子生物学技术平台和浙江大学良渚实验室的支持，以及来自中科院、基金委、科技部、上海市科委等部门的经费资助。陈玲玲研究员致谢科学探索奖的支持。