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科研進展

Nature文章: 陳玲玲組發(fā)現核仁新結構調控核糖體RNA末端加工重要機制

來源: 時間:2023-03-09
[video:上??茖W家發(fā)現核糖體RNA“超級工廠”的運行新機制]
  

  3月9日,中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心(生物化學與細胞生物學研究所)陳玲玲研究組在國際學術期刊Nature上在線發(fā)表題為“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(fā)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(qū)域為致密纖維組分外側區(qū)域(periphery of DFC,PDFC)。深入解析發(fā)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至關重要的作用。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全新見解,為深入研究核仁蛋白質在pre-rRNA加工中的功能協(xié)調以及對核糖體生成和胚胎發(fā)育影響提供全新思路。

  陳玲玲研究組長期致力于lncRNA代謝與功能的研究。前期通過non-poly(A)測序(Yang et al., Genome Biol 2011)發(fā)現一類新型lncRNA家族,它們來自內含子,兩端以snoRNA結尾,研究人員將其命名為sno-lncRNA(Yin et al., Mol 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(tài)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(jié)rRNA的轉錄、加工以及核糖體亞基組裝中發(fā)揮著重要作用。核仁在形態(tài)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(qū)(Granular Component, GC)內。之前的研究表明SLERT直接結合核仁蛋白DDX21并調控其形成的環(huán)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(qū)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(qū)域參與調控rRNA前體的定向轉運和核仁DFC環(huán)簇狀結構的組裝(Yao et al., Mol Cell 2019)。這些在FC/DFC單元產生的rRNA占細胞內總RNA的約85%,因此在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(qū)域參與核糖體亞基的組裝。核仁的重要功能毋庸置疑,但大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。

  研究人員利用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(qū)域的蛋白質。對這140個核仁蛋白質的深入研究發(fā)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。研究人員進一步利用光學超分辨顯微成像系統(tǒng)性地完善了核仁的精細亞結構分析,為更好地認識核仁組織結構和工作機制提供了重要基礎。

  研究人員發(fā)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的結構和功能至關重要。此外它還參與調控pre-rRNA 3’末端ETS 區(qū)域 (External transcribed spacer, ETS)折疊和加工。其在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,從而導致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(wěn)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)(RNA Exosome)在核仁發(fā)揮活性,引發(fā)異常pre-rRNA的降解,導致成熟的28S rRNA減少,無法維持細胞內核糖體的穩(wěn)態(tài)和蛋白質合成,因此造成斑馬魚和小鼠的早期發(fā)育缺陷,甚至死亡。

  此項研究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(xié)同,共同維持核仁內微環(huán)境穩(wěn)定,為認識核仁功能提供了全新的見解。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(huán)境中的關鍵組織作用,為深入理解三維pre-rRNA加工機制、核仁組裝形成和功能提供了新的思路。

  分子細胞卓越中心陳玲玲研究組博士研究生單琳和許光(現為麻省理工學院博士后)為該論文的共同第一作者,分子細胞卓越中心研究員、新基石研究員陳玲玲為該論文通訊作者。特別感謝復旦大學生物醫(yī)學研究院/復旦大學附屬兒童醫(yī)院楊力研究員、分子細胞卓越中心李勁松院士、清華大學俞立教授和北京協(xié)和醫(yī)院醫(yī)學科學研究中心黃超蘭教授的大力幫助。該工作同時得到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,以及來自中科院、基金委、科技部和上海市科委等部門的經費資助。陳玲玲研究員致謝科學探索獎的支持。

核仁蛋白質協(xié)同核仁精細結構與pre-rRNA加工的新機制

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