RNA驱动的多相核仁结构解析与工程化改造:揭示rRNA加工与核仁相分离的时空耦合机制

时间:2025年7月4日
来源:Nature

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这篇开创性研究通过开发5eU-seq时空映射和合成核仁工程两大技术,首次系统揭示了rRNA加工步骤在核仁三相结构(FC/DFC/GC)中的空间区隔化特征,证明SSU前体加工决定核仁相序排列而LSU前体构建最外层GC相。研究创新性发现U3 snoRNA介导的5'ETS剪切缺陷会导致核仁"内外翻转"的拓扑重构,并通过相场模型阐明rRNA作为"可编程蓝图"调控多相核仁组装的物理机制,为理解核仁结构与核糖体生物发生的协同进化提供了全新范式。

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【Mapping rRNA processing in time and space】
研究团队开发了整合5-乙炔尿苷(5eU)标记的超分辨率成像与测序技术(5eU-seq),实现了对核仁内rRNA加工过程的时空动态追踪。通过15分钟脉冲标记和0-120分钟追踪实验,发现早期剪切位点(如01/02位点)在FC-DFC边界快速完成,中期位点(1/2位点)伴随rRNA从DFC向GC迁移(30-60分钟),而晚期ITS2剪切发生在GC相(60-120分钟)。RNA-FISH验证显示18S rRNA前体的加工主要在DFC完成,而28S前体则在DFC和GC持续加工,这种时空区隔性提示核仁相结构可能作为质量控制区室。

【Processing controls flux and morphology】
采用广谱加工抑制剂黄酮吡啶醇(FVP)处理导致rRNA剪切全面受阻时,未加工的5eU-rRNA在GC表面积聚但无法进入GC相。通过U3 snoRNA反义寡核苷酸(ASO)特异性抑制SSU加工过程,发现核仁出现"内外翻转"的拓扑重构——FC和DFC相向核仁外围迁移,同时rRNA向GC的转运速率显著降低。这种表型与经典的转录抑制诱导的"核仁帽"形态明显不同,后者伴随FC融合但FC数量减少。

【LSU precursors build the GC phase】
利用可编程rDNA质粒系统,研究发现仅表达LSU前体(5.8S/28S rRNA)可重建包含DFC和GC的合成核仁,而SSU-only质粒仅形成缺乏GC相的环状DFC结构。有趣的是,SSU-only表达的18S rRNA仍能输出至胞质并参与翻译,说明GC相对SSU成熟并非必需。但当共转染SSU和LSU质粒时,28S rRNA的胞质输出需要SSU前体元件的存在,揭示了两类核糖体亚基前体加工的协同性。

【SSU processing drives nucleolar layering】
通过设计U3 snoRNA与5'ETS铰链区的 compensatory突变,证实两者碱基配对缺陷会导致合成核仁相序倒置。在SSU-only系统中,U3结合位点突变使FC定位在DFC表面而非内部,同时18S前体滞留DFC无法外排。共聚焦成像显示正常SSU加工过程中,外切体组分EXOSC10和核糖体蛋白RPS6依次分布在DFC外围,而加工缺陷时这些晚期因子无法正常定位。

【Modelling RNA-dependent nucleolar form and function】
基于Flory-Huggins相场模型的理论模拟表明,rRNA加工通过改变相间张力(γi,j)调控核仁拓扑结构:未剪切的5'ETS使SSU前体在DFC相富集,导致γDFC,GC增加而引发相序倒置;当Pol I转录被抑制时,所有rRNA前体浓度下降模拟出"核仁帽"形态;而LSU前体缺失则重现SSU-only系统缺乏GC相的表型。该模型为理解RNA序列如何编码多相冷凝物的组装提供了物理框架。

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