Mol Cell | 馬為銳/項晟祺/侯中懷團隊合作揭示28S rRNA擴展片段在核仁多層結構形成中的關鍵作用

28S rRNA是真核細胞中豐度最高的RNA分子，按質量計占細胞總RNA的50%以上，每個細胞中含有數百萬條拷貝。作為核糖體大亞基的核心組分，28S rRNA參與構成肽基轉移酶中心，在蛋白質合成中發揮關鍵催化功能。然而，一個長期未獲充分關注的現象是：28S rRNA在進化中持續變長。從酵母到人類，28S rRNA增加了近兩千個核苷酸，而同一轉錄單元內緊鄰的18S和5.8S rRNA長度在 真核生物中 保持高度穩定。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，不與核糖體蛋白結合，在冷凍電鏡分析中缺乏確定性結構 。

與此同時，核仁——rRNA轉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構（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構（bipartite nucleolus），缺少DFC層。

28S rRNA擴展片段有什么功能？核仁三層結構如何在進化中出現？這兩個看似無關的問題，是否存在內在聯系？

2026年4月7 日，浙江大學生命科學研究院馬為銳團隊與中國科學技術大學項晟祺團隊、侯中懷團隊合作，在Molecular Cell發表題為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，在核仁多層結構的形成中發揮關鍵的結構組織功能。

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空心殼層結構

研究團隊利用可誘導的RNase L系統降解核仁RNA后，DFC從空心環狀結構轉變為實心凝聚體，表明RNA對維持DFC空心殼層形態不可或缺。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室的空間組織中發揮特定作用。

全長 28S rRNA 體外重構 GC-DFC-FC-like三層結構

研究團隊通過體外轉錄全長人源28S rRNA（5072 nt），將其與純化的DFC蛋白FBL和GC蛋白NPM1混合，體系中自發形成了DFC-like空心環狀結構。引入FC蛋白POLR1D后，成功重建了GC-DFC-FC三層核仁樣結構。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相互作用的核心驅動作用

研究發現，關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結構顯著減少。在細胞中，doxorubicin處理4分鐘內即導致DFC空心結構坍塌，而此時RT-qPCR檢測顯示rRNA轉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結構完整性的維持。

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論提供了理論支撐。在四組分模型（FBL、NPM1、rRNA和水）中系統性增加RNA-RNA相互作用強度時，體系自發形成了DFC-like結構——FBL聚集為環狀并將NPM1排斥在外。該模擬結果表明，在特定的蛋白-蛋白、蛋白-RNA和RNA-RNA相互作用條件下，多層結構代表了體系自由能最低的狀態，從而驅動多層結構的自發形成。

28S rRNA擴展片段賦予多價性并具有跨物種可轉移性

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DFC-like結構；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結合親和力的差異。嵌合RNA實驗提供了最直接的證據：將人源ES7、ES15和ES27插入線蟲26S rRNA后賦予其誘導DFC-like結構的能力；反之，刪除人源28S rRNA的這些擴展片段則導致該能力喪失。

展望

該研究揭示了28S rRNA擴展片段作為核仁結構組織元件的新功能，建立了rRNA多價性驅動多層結構產生的分子模型。值得注意的是，擴展片段介導的分子間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，它們可能介導核糖體間相互作用并為這些協同效應提供結構基礎。28S rRNA擴展片段在進化中持續增長，這一現象的功能意義可能遠超目前的認知。

浙江大學生命科學研究院馬為銳與中國科學技術大學項晟祺、侯中懷為論文的共同通訊作者。第一作者為浙江大學附屬浙江醫院的魏杰麗博士和中國科學技術大學博士研究生張 義 澤。中國科大的博士研究生吳嘉昕開展了相場模擬實驗。浙江大學生研院的博士研究生葉柄成等同學開展了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相互作用驅動核仁多層結構的形成。

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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