28S rRNA是真核細胞中豐度最高的RNA分子，按質(zhì)量計占細胞總RNA的50%以上，每個細胞中含有數(shù)百萬條拷貝。作為核糖體大亞基的核心組分，28S rRNA參與構(gòu)成肽基轉(zhuǎn)移酶中心，在蛋白質(zhì)合成中發(fā)揮關(guān)鍵催化功能。然而，一個長期未獲充分關(guān)注的現(xiàn)象是：28S rRNA在進化中持續(xù)變長。從酵母到人類，28S rRNA增加了近兩千個核苷酸，而同一轉(zhuǎn)錄單元內(nèi)緊鄰的18S和5.8S rRNA長度在 真核生物中 保持高度穩(wěn)定。這些額外的序列被稱為擴展片段（expansion segments,ESs）——它們不參與核糖體的催化功能，不與核糖體蛋白結(jié)合，在冷凍電鏡分析中缺乏確定性結(jié)構(gòu) 。

與此同時，核仁——rRNA轉(zhuǎn)錄和核糖體前體組裝的核心場所——在羊膜動物中具有三層嵌套結(jié)構(gòu)（tripartite nucleolus）：granular component（GC）、dense fibrillar component（DFC）和fibrillar center（FC），其中DFC形成包圍FC的空心殼層，多個DFC-FC單元嵌入GC中。而果蠅和線蟲等非羊膜動物的核仁僅有兩層結(jié)構(gòu)（bipartite nucleolus），缺少DFC層。

28S rRNA擴展片段有什么功能？核仁三層結(jié)構(gòu)如何在進化中出現(xiàn)？這兩個看似無關(guān)的問題，是否存在內(nèi)在聯(lián)系？

2026年4月7 日，浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院馬為銳團隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)項晟祺團隊、侯中懷團隊合作，在Molecular Cell發(fā)表題為Multivalent 28S rRNA Expansion Segments Enable Reconstitution of Multilayered Nucleolar Architecture的研究論文，揭示28S rRNA擴展片段通過賦予28S rRNA多價RNA-RNA相互作用能力，在核仁多層結(jié)構(gòu)的形成中發(fā)揮關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)組織功能。

圖1. DFC（FBL）、GC（NPM1）和FC（POLR1D）熒光標記的HeLa細胞核仁活細胞成像。

RNA維持 細胞 DFC空心殼層結(jié)構(gòu)

研究團隊利用可誘導(dǎo)的RNase L系統(tǒng)降解核仁RNA后，DFC從空心環(huán)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵭哪垠w，表明RNA對維持DFC空心殼層形態(tài)不可或缺。FISH實驗揭示28S rRNA主要定位于GC并被顯著排斥出FC，提示其可能在核仁亞區(qū)室的空間組織中發(fā)揮特定作用。

全長 28S rRNA 體外重構(gòu) GC-DFC-FC-like三層結(jié)構(gòu)

研究團隊通過體外轉(zhuǎn)錄全長人源28S rRNA（5072 nt），將其與純化的DFC蛋白FBL和GC蛋白NPM1混合，體系中自發(fā)形成了DFC-like空心環(huán)狀結(jié)構(gòu)。引入FC蛋白POLR1D后，成功重建了GC-DFC-FC三層核仁樣結(jié)構(gòu)。5.8S和18S rRNA均不具備該能力，確立了28S rRNA的特異性作用。

圖2. NPM1-FBL凝聚體分別加入人源5.8S、18S或28S rRNA后的共聚焦成像。

多價RNA-RNA相互作用的核心驅(qū)動作用

研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵在于擴展片段賦予28S rRNA的 “ 多價性 ” （multivalency）——即形成分子間RNA-RNA相互作用的能力。瓊脂糖凝膠電泳、FRET （熒光共振能量轉(zhuǎn)移） 和MST （微量熱泳動）等 實驗共同證實了28S rRNA分子間存在廣泛的RNA-RNA相互作用。利用doxorubicin（阿霉素）破壞這些相互作用后，體外DFC-like結(jié)構(gòu)顯著減少。在細胞中，doxorubicin處理4分鐘內(nèi)即導(dǎo)致DFC空心結(jié)構(gòu)坍塌，而此時RT-qPCR檢測顯示rRNA轉(zhuǎn)錄和加工尚未受到影響，表明多價RNA-RNA相互作用直接參與DFC結(jié)構(gòu)完整性的維持。

相場模擬的理論驗證

基于Flory-Huggins自由能泛函的相場模擬為實驗結(jié)論提供了理論支撐。在四組分模型（FBL、NPM1、rRNA和水）中系統(tǒng)性增加RNA-RNA相互作用強度時，體系自發(fā)形成了DFC-like結(jié)構(gòu)——FBL聚集為環(huán)狀并將NPM1排斥在外。該模擬結(jié)果表明，在特定的蛋白-蛋白、蛋白-RNA和RNA-RNA相互作用條件下，多層結(jié)構(gòu)代表了體系自由能最低的狀態(tài)，從而驅(qū)動多層結(jié)構(gòu)的自發(fā)形成。

28S rRNA擴展片段賦予多價性并具有跨物種可轉(zhuǎn)移性

來自三層核仁物種（人、小鼠、雞）的28S rRNA具有更長的擴展片段和更強的多價性，能夠誘導(dǎo)DFC-like結(jié)構(gòu)；而來自兩層核仁物種（果蠅、線蟲）的28S/26S rRNA則不能。MST實驗表明這種差異源于RNA-RNA相互作用強度的不同，而非蛋白-RNA結(jié)合親和力的差異。嵌合RNA實驗提供了最直接的證據(jù)：將人源ES7、ES15和ES27插入線蟲26S rRNA后賦予其誘導(dǎo)DFC-like結(jié)構(gòu)的能力；反之，刪除人源28S rRNA的這些擴展片段則導(dǎo)致該能力喪失。

展望

該研究揭示了28S rRNA擴展片段作為核仁結(jié)構(gòu)組織元件的新功能，建立了rRNA多價性驅(qū)動多層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的分子模型。值得注意的是，擴展片段介導(dǎo)的分子間RNA-RNA相互作用的功能可能不限于核仁。在mRNA翻譯過程中，相鄰核糖體的協(xié)同性可降低翻譯暫停頻率，還能促進共翻譯蛋白寡聚體的形成。由于擴展片段暴露于核糖體表面，它們可能介導(dǎo)核糖體間相互作用并為這些協(xié)同效應(yīng)提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。28S rRNA擴展片段在進化中持續(xù)增長，這一現(xiàn)象的功能意義可能遠超目前的認知。

浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院馬為銳與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)項晟祺、侯中懷為論文的共同通訊作者。第一作者為浙江大學(xué)附屬浙江醫(yī)院的魏杰麗博士和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生張 義 澤。中國科大的博士研究生吳嘉昕開展了相場模擬實驗。浙江大學(xué)生研院的博士研究生葉柄成等同學(xué)開展了qPCR等和部分分子克隆實驗。

圖3. 28S rRNA擴展片段通過多價RNA-RNA相互作用驅(qū)動核仁多層結(jié)構(gòu)的形成。

原文鏈接：https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(26)00199-1

制版人： 十一

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