核仁新结构调控核糖体RNA末端加工机制

核仁新结构调控核糖体RNA末端加工机制

        前期研究通过non-poly(A)测序发现一类新型lncRNA家族。它们来自内含子，两端以snoRNA结尾，被命名为sno-lncRNA。SLERT是其中一个sno-lncRNA，完全定位在细胞核仁。核仁是细胞核内核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）的加工厂，它在调节rRNA的转录、加工以及核糖体亚基组装中具有重要作用。核仁在形态上由内而外可以分为三层结构——多个纤维中心（Fibrillar Center，FC）和致密纤维组分（Dense Fibrillar Component，DFC）形成球状结构镶嵌在颗粒区（Granular Component，GC）内。研究表明，SLERT直接结合核仁蛋白DDX21并调控其形成的环状结构的大小进而促进RNA聚合酶I转录。RNA聚合酶I转录复合物聚集在FC区域边缘对核糖体DNA（rDNA）进行转录；rRNA前体（pre-rRNA）加工蛋白质在DFC区域参与调控rRNA前体的定向转运和核仁DFC环簇状结构的组装。这些在FC/DFC单元产生的rRNA占细胞内总RNA的约85%，因而在FC/DFC中rRNA成熟的过程是一个受到精密调控的过程。加工修饰完成的pre-rRNA进入GC区域参与核糖体亚基的组装。
        中国科学院分子细胞科学卓越创新中心陈玲玲研究组在《Nature》上发表了题为Nucleolar URB1 ensures 3' ETS rRNA removal to prevent exosome surveillance的研究。该研究利用高分辨率活细胞显微成像技术，通过筛选200个核仁候选蛋白质发现12个在FC/ DFC外围富集的蛋白质，并命名该区域为致密纤维组分外侧区域（periphery of DFC,PDFC）。研究解析发现，位于PDFC的URB1（unhealthy ribosome protein 1）是一种具有非流动特征的核仁蛋白质，对维持PDFC的完整性、锚定pre-rRNA 3’端及保证其正确折叠和加工起到重要作用。研究利用CRISPR/Cas9技术构建了DFC/GC双色荧光蛋白质标记的参考细胞系，在此细胞系内对200个核仁候选蛋白质进行了高分辨率的活细胞成像，并筛选到140个定位在细胞核仁不同亚结构区域的蛋白质。对这140个核仁蛋白质的研究发现，12个蛋白质定位于DFC外部，形成厚度约为200 nm的球壳状新结构，被命名为PDFC。PDFC关键蛋白质URB1具有分子量大、流动性慢的特征，对于维持PDFC的结构和功能颇为重要。此外，URB1还参与调控pre-rRNA 3’末端ETS 区域 （External transcribed spacer， ETS）折叠和加工。URB1在PDFC的定位参与了3’ETS的锚定、折叠与去除。URB1缺失导致3’ETS折叠异常，U8 snoRNA与pre-rRNA的结合受阻，导致3’ETS的加工异常。这些异常的pre-rRNA中间产物在核仁中大量累积，进而激活RNA稳态监控系统（RNA Exosome）在核仁发挥活性，引发异常pre-rRNA的降解，致使成熟的28S rRNA减少，无法维持细胞内核糖体的稳态和蛋白质合成，因而造成斑马鱼和小鼠的早期发育缺陷，甚至死亡。
        该工作利用超高分辨率生物成像、单分子RNA成像、RNA二级结构解析以及动物模型等多种研究手段，全面揭示了核仁精细结构与pre-rRNA的加工相互协同，共同维持核仁内微环境稳定，为认识核仁功能提供了全新见解。此外，该研究证明了URB1这类非流动性蛋白质在核仁液-液相分离环境中的关键组织作用，为探究三维pre-rRNA加工机制、核仁组装形成和功能提供了新思路。
参考文献：Shan L, Xu G, Yao RW, et al. Nucleolar URB1 ensures 3' ETS rRNA removal to prevent exosome surveillance. Nature. 2023;615(7952):526-534.
Doi:10.1038/s41586-023-05767-5.

撰写人：胡艺凡/李浩