Nature | 非流动性蛋白URB1在核仁液-液相分别环境中要害组织作用
核仁是细胞核内一个复杂且高度动态转变的无膜亚结构，是细胞核内核糖体RNA（ribosomal RNA, rRNA）的加工厂。它在调剂rRNA的转录、加工以及核糖体亚基组装中发扬着重要作用【1,2】。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。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【3】。这些在FC/DFC单元产生的rRNA占细胞内总RNA的约85%，因此在FC/DFC中rRNA成熟的过程是一个受到精美调控的过程。加工修饰完成的pre-rRNA进进GC区域参与核糖体亚基的组装（图1）。核仁的重要功能毋庸置疑，但大多数核仁蛋白质的精确定位及其如何参与pre-rRNA高效有序加工等基础生物学问题尚不清楚。
图 1 核糖体RNA和核糖体亚基在核仁内高效有序加工和组装
中国科学院分子细胞科学卓著创新中心（中国科学院生物化学与细胞生物学研究所）陈玲玲研究员从2011年做non-polyA测序 ，后续发现sno-lncRNA ，其中一个SLERT在核仁调控Pol I转录 (陈玲玲组Cell首次发现调控RNA聚合酶转录的lncRNA)；到解析核仁超辨认亚结构组成 (Mol Cell | 陈玲玲组首次提出相分别促进新生成rRNA前体定向转运的模型) 从而改变了核仁领域的研究手段 (Nat Rev MCB 2020 Fig 1)；深进阐明SLERT全新分子伴侣低剂量调控Pol I转录机制（Science丨陈玲玲团队协作发现长非编码RNA对细胞核仁结构和RNA聚合酶I转录的重要调控机制），围绕核仁做出了一系列重要工作。
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2023年3月8日，陈玲玲研究组在Nature杂志在线发表题为 Nucleolar URB1 ensures 3' ETS rRNA removal to prevent exosome surveillance 的研究论文。该工作利用高辨认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个在纤维中心/致密纤维组分（FC/ DFC）外围富集的蛋白质，并命名该区域为致密纤维组格外侧区域（periphery of DFC,PDFC）。深进解析发现，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，对保护PDFC的完全性、锚定pre-rRNA 3’端及保证其正确折叠和加工起到至关重要的作用。该工作显示了核仁的超微精美结构，为解析核仁的功能和结构提供全新看法，为深进研究核仁蛋白质在pre-rRNA加工中的功能协调以及对核糖体生成和胚胎发育影响提供全新构思。
图 2 高辨认率活细胞筛选发现核仁全新特征区域-PDFC
研究人员利用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辨认率的活细胞成像，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个核仁蛋白质的深进研究发现，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，其中包括URB1。研究发现URB1具有分子量大，蛋白质流动性慢的特征，对于保护PDFC的结构和功能至关重要。进一步地，研究人员利用光学超辨认显微成像系统性地完美了核仁的精美亚结构分析，为更好熟悉核仁组织结构和工作机制提供了重要基础（图2）。
核仁内pre-rRNA的转录、加工和组装是一个复杂过程【4,5】，其中该过程如何与核仁亚结构组成和功能相耦联尚未解析，新发现的PDFC核仁亚结构的功能也有待探索。研究人员发现PDFC要害蛋白质URB1调控pre-rRNA 3’末端ETS 区域 （External transcribed spacer， ETS）折叠和加工。其在PDFC的定位参与了3’ETS的锚定、折叠与往除。URB1缺失导致3’ETS折叠反常、U8 snoRNA与pre-rRNA的结合受阻、从而导致3’ETS的加工反常。
这些反常的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）在核仁发扬活性，引发反常pre-rRNA的降解，导致成熟的28S rRNA减少，无法保护细胞内核糖体的稳态和蛋白质合成，因此造成斑马鱼和小鼠的早期发育缺陷，甚至死亡（图3）。
图3 PDFC蛋白质URB1调控pre-rRNA生成及胚胎发育。a.12个PDFC蛋白质的超高辨认率细胞成像 b.Urb1敲除导致斑马鱼颅骨发育反常 c.URB1缺失导致3’ETS反常保留的pre-rRNA在核仁内累积 d.URB1缺失激活RNA稳态监控系统（RN在核仁发扬活性）
此项研究工作利用超高辨认率生物成像、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，全面显示了核仁精美结构与pre-rRNA的加工相互协同，共同保护核仁内微环境稳定，为熟悉核仁功能提供了全新的看法。此外，该研究证实了URB1这类非流动性蛋白质在核仁液-液相分别环境中的要害组织作用，对深进理解三维pre-rRNA加工机制、核仁组装形成和功能提供了新的构思（图4）。
图4 核仁蛋白质协同核仁精美结构与pre-rRNA加工的新机制
中国科学院分子细胞科学卓著创新中心陈玲玲研究组博士研究生单琳和许光（现为麻省理工学院博士后）为该论文的共同第一作者，陈玲玲研究员为该论文通讯作者。特殊感谢复旦大学生物医学研究院/复旦大学附属儿童医院杨力研究员、中国科学院分子细胞科学卓著创新中心李劲松院士、清华大学俞立教授和北京协和医院医学科学研究中心黄超兰教授的大力扶助。
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