Mol Cell | 马为锐/项晟祺/侯中怀团队合作揭示28S rRNA扩展片段在核仁多层结构形成中的关键作用

2026-04-12 16:23

上海

生命科学

Life science

28S rRNA是真核细胞中丰度最高的RNA分子，按质量计占细胞总RNA的50%以上，每个细胞中含有数百万条拷贝。作为核糖体大亚基的核心组分，28S rRNA参与构成肽基转移酶中心，在蛋白质合成中发挥关键催化功能。然而，一个长期未获充分关注的现象是：28S rRNA在进化中持续变长。从酵母到人类，28S rRNA增加了近两千个核苷酸，而同一转录单元内紧邻的18S和5.8S rRNA长度在真核生物中保持高度稳定。这些额外的序列被称为扩展片段（expansion segments, ESs）——它们不参与核糖体的催化功能，不与核糖体蛋白结合，在冷冻电镜分析中缺乏确定性结构。

与此同时，核仁——rRNA转录和核糖体前体组装的核心场所——在羊膜动物中具有三层嵌套结构（tripartite nucleolus）：granular component（GC）、dense fibrillar component（DFC）和fibrillar center（FC），其中DFC形成包围FC的空心壳层，多个DFC-FC单元嵌入GC中。而果蝇和线虫等非羊膜动物的核仁仅有两层结构（bipartite nucleolus），缺少DFC层。

28S rRNA扩展片段有什么功能？核仁三层结构如何在进化中出现？这两个看似无关的问题，是否存在内在联系？

2026年4月7日，浙江大学生命科学研究院马为锐团队与中国科学技术大学项晟祺团队、侯中怀团队合作，在Cell Press细胞出版社旗下期刊Molecular Cell上发表了题为“Multivalent 28S rRNA Expansion Segments Enable Reconstitution of Multilayered Nucleolar Architecture”的研究论文，揭示了28S rRNA扩展片段通过赋予28S rRNA多价RNA-RNA相互作用能力，在核仁多层结构的形成中发挥关键的结构组织功能。

RNA维持细胞DFC空心壳层结构

研究团队利用可诱导的RNase L系统降解核仁RNA后，DFC从空心环状结构转变为实心凝聚体，表明RNA对维持DFC空心壳层形态不可或缺。FISH实验揭示28S rRNA主要定位于GC并被显著排斥出FC，提示其可能在核仁亚区室的空间组织中发挥特定作用。

全长28S rRNA体外重构GC-DFC-FC-like三层结构

研究团队通过体外转录全长人源28S rRNA（5072 nt），将其与纯化的DFC蛋白FBL和GC蛋白NPM1混合，体系中自发形成了DFC-like空心环状结构。引入FC蛋白POLR1D后，成功重建了GC-DFC-FC三层核仁样结构。5.8S和18S rRNA均不具备该能力，确立了28S rRNA的特异性作用。

多价RNA-RNA相互作用的核心驱动作用

研究发现，关键在于扩展片段赋予28S rRNA的“多价性”（multivalency）——即形成分子间RNA-RNA相互作用的能力。琼脂糖凝胶电泳、FRET（荧光共振能量转移）和MST（微量热泳动）等实验共同证实了28S rRNA分子间存在广泛的RNA-RNA相互作用。利用doxorubicin（阿霉素）破坏这些相互作用后，体外DFC-like结构显著减少。在细胞中，doxorubicin处理4分钟内即导致DFC空心结构坍塌，而此时RT-qPCR检测显示rRNA转录和加工尚未受到影响，表明多价RNA-RNA相互作用直接参与DFC结构完整性的维持。

相场模拟的理论验证

基于Flory-Huggins自由能泛函的相场模拟为实验结论提供了理论支撑。在四组分模型（FBL、NPM1、rRNA和水）中系统性增加RNA-RNA相互作用强度时，体系自发形成了DFC-like结构——FBL聚集为环状并将NPM1排斥在外。该模拟结果表明，在特定的蛋白-蛋白、蛋白-RNA和RNA-RNA相互作用条件下，多层结构代表了体系自由能最低的状态，从而驱动多层结构的自发形成。

28S rRNA扩展片段赋予多价性并具有跨物种可转移性

来自三层核仁物种（人、小鼠、鸡）的28S rRNA具有更长的扩展片段和更强的多价性，能够诱导DFC-like结构；而来自两层核仁物种（果蝇、线虫）的28S/26S rRNA则不能。MST实验表明这种差异源于RNA-RNA相互作用强度的不同，而非蛋白-RNA结合亲和力的差异。嵌合RNA实验提供了最直接的证据：将人源ES7、ES15和ES27插入线虫26S rRNA后赋予其诱导DFC-like结构的能力；反之，删除人源28S rRNA的这些扩展片段则导致该能力丧失。

展望

该研究揭示了28S rRNA扩展片段作为核仁结构组织元件的新功能，建立了rRNA多价性驱动多层结构产生的分子模型。值得注意的是，扩展片段介导的分子间RNA-RNA相互作用的功能可能不限于核仁。在mRNA翻译过程中，相邻核糖体的协同性可降低翻译暂停频率，还能促进共翻译蛋白寡聚体的形成。由于扩展片段暴露于核糖体表面，它们可能介导核糖体间相互作用并为这些协同效应提供结构基础。28S rRNA扩展片段在进化中持续增长，这一现象的功能意义可能远超目前的认知。