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普林斯顿大学的工程师们利用一种新的绘图工具，揭示了细胞内部“工厂”如何构建核糖体（负责蛋白质合成的机器）。该系统为治疗和药物研发打开了大门。
蛋白质是维持细胞功能的种类繁多的化学物质，科学家们对它们的生成机制已有相当深入的了解。然而，蛋白质制造机制背后的一个关键环节却长期隐藏在一个被称为核仁的细胞结构中。
如今，普林斯顿大学的工程师团队开发出一种技术，可以窥视核仁内部，揭示这个隐藏的创造系统。之前的方法需要研究人员打开细胞并破坏其大部分结构，导致对细胞内部运作机制的了解甚少。新方法利用先进的成像和基因组学技术追踪核仁内RNA分子的运动，使研究人员能够在不破坏细胞或其脆弱成分的情况下观察这些过程的展开。
“这些工具为我们打开了一扇窗口，让我们能够以前所未有的方式了解核仁内部发生的事情，现在我们得到了一张精确的空间和时间图谱，”普林斯顿大学奥门-达林生物工程研究所所长Clifford Brangwynne)说道。
人工核仁
核仁是细胞核内最大的结构，对细胞生长和应激反应至关重要。它的主要功能之一是构建核糖体，而核糖体是细胞制造蛋白质的支架。
该团队于 7 月 2 日在《自然》杂志上发表了有关新方法的详细信息以及使用该方法得出的初步研究结果。
该团队还首次开发了一种制作简化人工核仁的方法。研究人员表示，该模型核仁使他们能够测试利用映射技术发展的想法，并将在未来的实验中发挥补充作用。
博士后研究员 Sofia Quinodoz 和分子生物学研究生 Lifei Jiang 在 Brangwynne 实验室带头开展了这项工作。
《自然》杂志最近发表的一篇调查该领域现状的文章也重点介绍了这些工具和 Brangwynne 实验室开发的其他技术。
核仁内发生的事情不会停留在核仁内
核仁本身呈球形，分为内层、中层和外层。这些层由不同的液体状物质组成，这些物质具有不同的物理差异——即表面张力——使它们像油和水一样分离。每一层在组装被称为核糖体的蛋白质制造机器中都发挥着不同的作用。
研究人员希望找到一种方法来观察核糖体组装过程。一切都始于核仁最内层产生的RNA。该RNA组装成新的核糖体的组成部分。随着这些组成部分穿过核仁的各个层，它们逐步组装形成核糖体。Quinodoz和Jiang利用这项绘图技术详细追踪了这一过程，从最初的组成部分形成到最终成品。
“这很令人兴奋，因为我们以前不知道这些层是如何构建的，”Quinodoz 说。
为了观察组装过程，她和Jiang教授运用了先进的测序和成像技术，捕捉RNA在组装线上移动时的快照，从而追踪每个部件的运动。结合先进的显微镜技术，他们观察到经过适当处理的核糖体RNA会从内层穿过核仁，经中层再到外层，然后离开核仁，并且核糖体RNA的特定组装步骤在每一层内部发生。随着组装过程的进行，他们观察到核糖体较小的亚基主要在内层和中层组装，而较大的亚基则在三层组装。
有趣的是，他们发现，扰乱这些过程会给核仁的结构带来重大问题。在一项测试中，RNA在中间层而非外层积累，导致外层从中间层分离，并在较小的球体周围形成一种项链状结构。另一项测试则导致核仁内外翻转，层序颠倒。该团队与普林斯顿大学的同事（包括机械与航空航天工程副教授Andrej Košmrlj、研究生Qiwei Yu以及前普林斯顿生物工程研究所创新研究员Hongbo Zhao）合作，揭示了RNA加工的扰动如何改变表面张力，从而驱动这种内外翻转的结构。
“我们得到的所有这些线索都表明，这种结构是围绕 RNA 构建的，而 RNA 的加工过程塑造了这种结构，当其正常功能受到干扰时，它就会翻转或瓦解，”Quinodoz 说。
质量控制检查点
普林斯顿大学的研究小组与布鲁塞尔自由大学的核糖体专家Denis Lafontaine和洛克菲勒大学的Sebastian Klinge合作，破坏核糖体装配线上的不同步骤，并使用一种称为DNA质粒的系统来诱导活细胞产生全新的人类设计的核仁。他们发现合成结构的功能与天然结构非常相似，较大的核糖体亚基比较小的核糖体亚基组装得更慢。他们还能够复制他们在有缺陷的核仁中看到的由内而外的结构。通过操纵RNA并引起核仁相应的反应，他们确定了一个可以更详细研究的关键特征。
“我们发现，这个复杂的工厂有必要的质量控制检查站。只有加工步骤真正完成，核糖体RNA才会从工厂的一个部分移动到另一个部分。然后释放到下一步。”
现在他们有了这些工具，Brangwynne和他的团队正在研究在癌症等疾病中会发生什么，在这些疾病中，癌细胞中产生的核糖体比健康细胞中产生的核糖体多。利用他们的测绘工具，他们希望找到生产过程中的漏洞，这些漏洞可能成为治疗的目标。他说：“还没有人真正详细地描绘出这一点。”
Mapping and engineering RNA-driven architecture of the multiphase nucleolus
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