Nat Cell Biol |?核仁和異染色質凝聚體的組織動態過程

撰文 |章臺柳

真核細胞核內存在許多無膜區室或生物分子凝聚體，它們通過相分離機制組裝而成，例如核仁、核斑、卡哈爾體和異染色質。這些區室的形成依賴于各凝聚體中富集的特異性大分子（包括具有結構域和/或固有無序域的蛋白質以及核酸）之間的多價相互作用。含有相同分子的凝聚體可以在不同位置成核、生長，并通過融合聚結成更大簇群；而成分不同的凝聚體則保持不混溶狀態。然而，在擁擠的核環境中或在特定條件（如應激）下，不同的凝聚體能夠形成保守的相互關聯，從而組裝成更高階的結構。盡管已有許多研究關注單個凝聚體的形成與功能，但不同凝聚體如何在體內相互作用并影響彼此仍不清楚。

核仁是核糖體合成的場所，在細胞周期進程、應激反應和蛋白質隔離中發揮關鍵作用。它是一種多相凝聚體，在轉錄的核糖體RNA基因處組裝形成三個具有不同成分和物理性質的亞區室：纖維中心（負責rRNA轉錄）、致密纖維組分（負責rRNA加工）和顆粒組分（負責核糖體組裝）。在大多數真核細胞核中，核仁被著絲粒周圍異染色質（PCH）所環繞，后者是由數百萬堿基對的著絲粒周圍重復序列（包括串聯重復的衛星DNA和轉座元件）構成的染色質區室。PCH與轉錄沉默相關，并在核結構、染色體分離和基因組穩定性中起重要作用。 在顯微鏡下， PCH可通過DAPI、H3K9me 2/3 及其對應的表觀遺傳閱讀器HP1來識別。HP1是一種多價蛋白，具有結構域和無序域，能在體外發生相分離并分配DNA和核小體，在體內則由富含H3K9me2/3的染色質成核形成液態凝聚體。核仁與PCH相鄰的一種解釋是，rDNA的串聯重復序列嵌入部分染色體的異染色質重復區中。然而，細胞學與測序分析表明，大多數染色體（包括不含rDNA的染色體）的PCH序列均與核仁接觸；因此，PCH在核仁邊緣的組織并不依賴于與rDNA的順式鄰近性。目前對PCH定位于核仁周圍的機制知之甚少。理解這一問題至關重要，因為兩者的共組織是核結構的一個顯著保守特征，其在衰老細胞中的紊亂提示PCH-核仁相互作用對細胞健康至關重要。

近 日， 加州大學伯克利分校 的 Gary H. Karpen 團隊在 Nature Cell Biology 上發表了題為 Hierarchical interactions between nucleolar and heterochromatin condensates are mediated by a dual-affinity protein 的文章，利用果蠅胚胎發生過程中的高分辨率活體成像，揭示了PCH與核仁關聯的從頭建立具有高度動態性：PCH從沿核膜邊緣延伸逐漸轉變為環繞核仁。通過移除核糖體RNA基因來消除核仁會破壞這一過程，導致PCH壓縮程度增加，隨后重組為環狀結構。此外，在缺乏核糖體RNA基因的胚胎中，核仁蛋白被重新分配到新的凝聚體或"新凝聚體"中，包括在PCH環狀結構的中心區域富集。將這些體內觀察結果與基于多相潤濕理論的分子動力學模擬相結合，發現核仁-PCH的關聯可以通過PCH、核仁以及對兩個區室具有雙重親和力的蛋白質之間的相互作用強度層級來介導。同時鑒定出一種具有此類特性的蛋白質——一種名為Pitchoune的DEAD-box RNA解旋酶——驗證了這一模型，并證明調節其對核仁或PCH組分的親和力會改變核仁-PCH的組織結構。

為了研究PCH凝聚體如何相對于果蠅細胞的多相核仁進行組織， 研究人員首先 在果蠅胚胎中表達核仁亞區室與PCH的熒光標志物，使用RNA聚合酶I亞基E標記纖維中心，Fibrillarin和Nopp140標記致密纖維組分，Modulo和Nucleostemin 1標記顆粒組分，并用HP1a可視化PCH，進行活細胞成像分析。在早期果蠅胚胎進行高分辨率延時成像，發現果蠅胚胎在囊胚期細胞化前經歷14次合胞體核分裂，染色質特征（如H3K9甲基化）在這些周期中逐步建立。盡管PCH凝聚體首次出現在周期11，但核仁在周期13才首次出現；因此周期13是兩個凝聚體最早共存于同一細胞核的時期。進入周期13間期后，HP1a和Fib蛋白最初彌散分布于整個細胞核，隨后在大約8分鐘內各自富集成多個獨立焦點。在整個周期13中，小的PCH和核仁凝聚體保持分離狀態，這可能是由于短暫的間期（約15分鐘）限制了生長，隨后兩者在分裂期解離。周期14開始時與周期13類似，HP1a和Fib焦點在分裂結束后很快出現并保持分離。在周期14較長的間期（約90分鐘）中，PCH和核仁經歷生長和自融合過程。然而，在周期14中PCH并未直接形成典型的環繞構型，而是從核仁延伸出去，同時一端通過rDNA錨定，稱此構型為"延伸構型"。延伸構型在具有兩個核仁的細胞核中同樣存在，當細胞核中兩個rDNA陣列未配對時會出現此現象。對囊胚期后異步細胞分裂中HP1a和Fib的持續活細胞成像揭示了PCH的延伸構型如何動態轉變為晚期發育階段觀察到的環繞構型。PCH在周期15剩余時間內迅速形成沿核邊緣排列的延伸構型，在周期16期間于延伸和環繞構型間轉換，并在進入周期17間期約15分鐘后穩定包裹核仁。HP1a在核仁周圍的二維覆蓋比例從周期14到周期17由10%增加至30%。這些實驗共同以高時空分辨率揭示了果蠅胚胎發育過程中兩個最大核內凝聚體的重組過程。觀察到PCH和核仁凝聚體經歷獨立的成核、生長和融合過程，呈現周期特異性差異，其中PCH動態地從延伸構型（主要與核周邊相關）轉變為環繞構型（與核仁相關）。

隨后，研究人員對影響核仁-PCH之間組裝動態的因素進行探究，發現核仁對于三維細胞核中正常PCH凝聚體組織是必需的，并能防止PCH過度壓縮。基于核仁與PCH組分間相互作用強度層級、并結合雙重親和力蛋白存在的模型，能夠重現含rDNA與不含rDNA細胞核中的空間組織特征。在體內破壞或調節這些相互作用層級會導致核仁相分離、新凝聚體形成以及凝聚體組織改變。同時鑒定出Pitchoune蛋白是一種雙重親和力蛋白，其通過與核仁和PCH組分的結構域特異性相互作用，實現其在核仁亞區的定位及PCH圍繞核仁的組織。

總之， 該 研究揭示了動物發育過程中建立核仁-PCH關聯的動態調控程序，并闡明了相互作用層級和雙重親和力分子連接器如何協同組織成分不同的生物分子凝聚體。

https://www.nature.com/articles/s41556-025-01806-7

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