7月23日，國際學術期刊Nature在線發表中國科學院分子細胞科學卓越創新中心（生物化學與細胞生物學研究所）陳玲玲研究員團隊的最新研究成果，題為：“Pre-rRNA spatial distribution and functional organisation of the nucleolus”。該研究系統解析了構成核糖體大小亞基的rRNA前體（pre-rRNA）在核仁中的動態成熟過程，發現了核糖體小亞基（SSU）pre-rRNA的加工效率直接調控核仁內層結構的穩定性，并提出pre-rRNA加工的時空分布模型，在多層核仁形成和進化中發揮關鍵作用。

核仁是真核細胞中合成核糖體RNA（ribosomal RNA, rRNA）的核心場所，其空間結構復雜且高度動態。核仁由多個不同的區室在三維空間中嵌套而成，從內向外依次包括：纖維中心（Fibrillar Center, FC）、致密纖維組分（Dense Fibrillar Component, DFC）、致密纖維組分外側區域（periphery of DFC, PDFC）和顆粒區（Granular Component, GC）。這些區室各司其職，協同完成核糖體前體 RNA （pre-rRNA）的轉錄、加工修飾及核糖體亞基的組裝等關鍵步驟。其高效、有序的運行對維持細胞正常生命活動至關重要。但pre-rRNA復雜的加工成熟過程是如何在核仁高級結構中完成的以及核仁的“結構-功能”關系尚不清楚。

陳玲玲研究組長期致力于lncRNA代謝與功能的研究。圍繞前期報道的兩端由小核仁RNA保護的長非編碼RNA SLERT，首次將超高分辨率成像技術應用于核仁研究，揭示了SLERT精準定位于DFC層，作為超低劑量“分子伴侶”調控效應蛋白質聚集，促進RNA聚合酶I轉錄和rRNA合成；解析了核仁的精細亞結構，提出pre-rRNA 5′端定向轉運促進DFC層組裝的新機制，發現了核仁新亞結構層PDFC，闡明其在pre-rRNA 3′端成熟中的關鍵作用，更新核仁“經典三層結構”為“四層結構”模型，深入拓展了對核仁“結構-功能”關系的理解。

在該研究中，研究人員通過整合點擊化學和脈沖標記、單分子RNA成像（smFISH）、高分辨率成像和定量質譜分析等多種技術手段，從空間和時間兩個維度系統解析了pre-rRNA的分布與加工軌跡。研究發現，小亞基（SSU）pre-rRNA主要分布于核仁內層的FC至PDFC區域，其主要加工過程可在標記早期（0–30分鐘）完成；而大亞基（LSU）pre-rRNA則富集于PDFC至GC區域，加工逐步在標記晚期（30–60分鐘）完成，揭示了核糖體大小亞基前體RNA在核仁中加工的時空分離機制。

Pre-rRNA這種時空分離的加工模式具有重要意義。由于rRNA的生成速率與細胞的生長需求密切相關，研究人員對比了不同增殖速率細胞中核仁結構與pre-rRNA空間分布和加工動力學的差異。在增殖緩慢的細胞中，FC–DFC單元呈現數量減少、體積增大的特征，SSU pre-rRNA加工效率降低，且在核仁內出現積聚, 向核仁外層區域的遷移受阻。研究人員提出“FC/DFC相對界面面積”作為幾何參數，定量描述結構變化。發現FC/DFC相對界面面積與SSU pre-rRNA的加工速率高度相關。提示SSU pre-rRNA的加工與核仁內層FC-DFC結構存在密切的調控關系。

為進一步探索pre-rRNA加工過程與核仁結構之間的調控機制，研究人員采用靶向pre-rRNA 加工位點的反義寡核苷酸（ASO），特異性阻斷其加工過程。實驗結果顯示，SSU加工阻斷不僅會導致SSU pre-rRNA在核仁中異常積聚和定位偏移，還會引起FC-DFC結構膨脹甚至破裂，FC/DFC相對界面面積顯著減少，重現了低增殖狀態細胞中觀察到的核仁結構變化。這些發現表明，FC-DFC單元不僅是SSU pre-rRNA加工的主要場所，其三維結構的穩定性也依賴于加工動態活動本身。Pre-rRNA加工與核仁結構之間形成相互協同調控的關系。這一發現為理解核仁亞結構的形成機制及空間功能分化提供了新的視角，也為在調控核糖體生成以及細胞增殖方面的靶向干預提供了理論基礎。

在進化過程中，低等無羊膜動物（如斑馬魚）的核仁僅由Fibrillar zone （FZ）和Granular zone （GZ）兩個區域組成，內層的FZ區域不會分離形成FC-DFC雙層結構。核仁內層區域是SSU pre-rRNA的核心分布區域，這提示多層核仁結構的出現可能與pre-rRNA的加工效率相關。研究人員對比了多層結構核仁與雙層結構核仁在pre-rRNA加工效率上的差異。結果顯示，多層結構核仁中pre-rRNA的向外擴散速率數倍于兩層結構核仁，表明核仁高級結構的出現可能在進化過程中賦予了細胞更高效的核糖體合成能力，從而更好地適應不同的生理與增殖需求。

該研究基于實際的細胞生理狀態，建立了pre-rRNA加工功能與核仁多層結構之間的直接關聯，深入揭示了核仁“結構–功能”的協同調控機制，拓展了對核仁空間功能組織模式的理解，為進一步探究核糖體相關疾病的發生機制及開發潛在干預策略提供了基礎。

分子細胞卓越中心陳玲玲研究組博士生潘宇航、博士后單琳和復旦大學生物醫學研究院博士生張宇瑤為該論文的共同第一作者。分子細胞卓越中心陳玲玲研究員為該論文的唯一通訊作者。該工作得到復旦大學生物醫學研究院/復旦大學附屬兒科醫院楊力研究員、分子細胞卓越中心細胞分析技術平臺和斑馬魚技術平臺、以及中國科學院、科技部、上海市尚思科學研究院和新基石科學基金會的大力支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09412-1

pre-rRNA 加工與核仁高級結構協同調控以響應不同細胞狀態需求