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3月9日，中國科學院分子細胞科學卓越創新中心（生物化學與細胞生物學研究所）陳玲玲研究組在《自然》（Nature）上，在線發表了題為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胞顯微成像技術，通過篩選200個核仁候選蛋白質發現12個在纖維中心/致密纖維組分（FC/ DFC）外圍富集的蛋白質，并命名該區域為致密纖維組分外側區域（periphery of DFC,PDFC）。研究解析發現，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，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結構，為解析核仁的功能和結構提供了全新見解，并為探索核仁蛋白質在pre-rRNA加工中的功能協調以及對核糖體生成和胚胎發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）發現一類新型lncRNA家族。它們來自內含子，兩端以snoRNA結尾，被命名為sno-lncRNA（Yin et al., Molecular Cell 2012）。SLERT是其中一個sno-lncRNA，完全定位在細胞核仁（Xing et al., Cell 2017）。核仁是細胞核內一個復雜且高度動態變化的無膜亞結構，是細胞核內核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）的加工廠。它在調節rRNA的轉錄、加工以及核糖體亞基組裝中具有重要作用。核仁在形態上由內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（Granular Component，GC）內。既往研究表明，SLERT直接結合核仁蛋白DDX21并調控其形成的環狀結構的大小進而促進RNA聚合酶I轉錄（Xing et al., Cell 2017；Wu et al., Science 2021）。RNA聚合酶I轉錄復合物聚集在FC區域邊緣對核糖體DNA（rDNA）進行轉錄；rRNA前體（pre-rRNA）加工蛋白質在DFC區域參與調控rRNA前體的定向轉運和核仁DFC環簇狀結構的組裝（Yao et al., Molecular Cell 2019）。這些在FC/DFC單元產生的rRNA占細胞內總RNA的約85%，因而在FC/DFC中rRNA成熟的過程是一個受到精密調控的過程。加工修飾完成的pre-rRNA進入GC區域參與核糖體亞基的組裝。核仁的重要功能毋庸置疑，但多數核仁蛋白質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。
研究利用CRISPR/Cas9技術構建了DFC/GC雙色熒光蛋白質標記的參考細胞系，在此細胞系內對200個核仁候選蛋白質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域的蛋白質。對這140個核仁蛋白質的研究發現，12個蛋白質定位于DFC外部，形成厚度約為200 nm的球殼狀新結構，被命名為PDFC。研究進一步利用光學超分辨顯微成像系統性地完善了核仁的精細亞結構分析，為更好地解析核仁組織結構和工作機制奠定了重要基礎。
研究發現，PDFC關鍵蛋白質URB1具有分子量大、流動性慢的特征，對于維持PDFC的結構和功能頗為重要。此外，URB1還參與調控pre-rRNA 3’末端ETS 區域 （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缺失導致3’ETS折疊異常，U8 snoRNA與pre-rRNA的結合受阻，導致3’ETS的加工異常。
這些異常的pre-rRNA中間產物在核仁中大量累積，進而激活RNA穩態監控系統（RNA Exosome）在核仁發揮活性，引發異常pre-rRNA的降解，致使成熟的28S rRNA減少，無法維持細胞內核糖體的穩態和蛋白質合成，因而造成斑馬魚和小鼠的早期發育缺陷，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的加工相互協同，共同維持核仁內微環境穩定，為認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在核仁液-液相分離環境中的關鍵組織作用，為探究三維pre-rRNA加工機制、核仁組裝形成和功能提供了新思路。
研究工作得到中科院、國家自然科學基金、科技部和上海市科學技術委員會等的資助，并獲得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。
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