Nature：科学家发现重新编程细胞器的新方法

核仁是核糖体RNA（rRNA）转录、加工和组装成核糖体（制造蛋白质的分子机器）组成部分的地方。研究人员发现，rRNA也塑造了核仁本身。因此，通过调整核糖体组装背后的生化过程，科学家可以重新设计核仁的形状和组织。这种本质上编程细胞器的能力将使我们能够从机制上深入了解像核仁这样的细胞结构是如何在原子层面形成和运作的。

核糖体承担着细胞最基本的功能——将遗传信息翻译成蛋白质。尽管科学家们对这些蛋白质生成器的形成机制了解甚多，但它们的诞生仍然笼罩在神秘之中：目前还没有方法能够窥视细胞致密的核仁内部，而核糖体RNA（rRNA）正是在这里产生新生的核糖体。

如今，一项新研究打破了这个黑匣子。这篇发表在 《自然》杂志上的论文——洛克菲勒大学、普林斯顿大学和布鲁塞尔自由大学合作完成——不仅揭示了rRNA如何创造核糖体，还揭示了rRNA如何为核仁绘制蓝图——并且表明，改变核仁的形状和结构可以像通过生化方法改变蓝图一样简单。

“我们现在可以设计和操控整个细胞器的结构，”蛋白质和核酸化学实验室负责人Sebastian Klinge说道。“这让我们距离弥合原子结构和细胞组织之间的差距更近了一步，也让我们距离揭示控制细胞器形态和功能的精确分子机制更近了一步。”

核糖体的诞生

核仁是最早被观察到的细胞器之一，很难被忽视。核仁是细胞核内的一个暗色团块，核糖体RNA（rRNA）在这里转录、加工并组装成核糖体亚基，然后被输出到细胞质中。仔细观察核仁，可以发现三个嵌套的区域：最内层的纤维中心（FC）、中间的致密纤维部分（DFC）和最外层的颗粒部分（GC）。

科学家们怀疑这种特殊的结构与核糖体的生物合成有关，但这些层状结构是如何形成并与rRNA和核糖体相互作用的尚不清楚。这个问题对Klinge（他的实验室专注于研究控制核糖体组装的分子机制）和洛克菲勒来说都意义非凡。核糖体于1955年在洛克菲勒大学校园被发现，此后洛克菲勒实验室  在RNA研究中发挥了至关重要的作用。

rRNA的作用

在这项研究中，来自普林斯顿大学和布鲁塞尔的研究人员使用了一种尖端方法标记新鲜生成的rRNA，并观察其在细胞内如何移动和成熟。他们发现，核仁的层状结构是由rRNA自身的运动塑造的。rRNA在生成过程中，会按照特定的顺序穿过核仁的每一层。如果任何一步出现失误或延迟，rRNA就会卡住，导致核仁的结构崩溃。这表明，核仁的每一层（尤其是DFC）都充当着质量控制检查点，以确保核糖体最终能够正确构建。

但研究结果提出了一个诱人的可能性。如果核仁的结构与核糖体的产生如此密不可分，那么核仁的构建是否也围绕着它所促成的同一过程——由核糖体产生本身的步骤塑造和维持？

为了找到答案，研究团队向Klinge寻求帮助，设计合成核仁，并直接测试rRNA的变化如何影响核仁的结构。Klinge实验室基于其2021年发表的研究成果，提供了用于操纵人类核糖体组装结构和进程的DNA质粒。他的贡献使研究团队能够调整rRNA序列，并改变核糖体生物合成的途径。

利用Klinge合成的核仁，研究人员发现他们可以操纵核仁的结构。通过引入rRNA突变来阻止核糖体组装中间体的形成，研究人员成功地颠倒了整个细胞器——将通常位于核心的FC和DFC抛到边缘。这种倒置扰乱了rRNA的正常释放，只能通过引入其他突变来逆转。基于他们的发现，研究人员还开发了一个生物物理模型，解释rRNA中间体的变化如何影响核仁层之间的张力。

“基于我实验室之前用于功能研究的DNA质粒，我们设计了一个人工核仁，这为将前核糖体RNA序列信息与人类核仁在微米尺度上的多层结构联系起来提供了一个起点，”Klinge解释说。“通过重新设计这个质粒，我们能够证明特定核糖体组装中间体的正确形成决定了人类核仁的结构。”

总之，这些实验表明，核仁不仅仅是核糖体产生的集结地，而且是一个动态的、 RNA 编程的细胞器。

接下来，Klinge 和同事们希望探索核糖体组装中间体如何穿过并离开核仁的多层结构，从而继续拼凑生命最基本的机器之一如何组装的谜团。“我们可能很快就能在近原子水平上从机制上解决这个问题，”Klinge 说。