撰文 |章臺(tái)柳

真核細(xì)胞核內(nèi)存在許多無(wú)膜區(qū)室或生物分子凝聚體，它們通過(guò)相分離機(jī)制組裝而成，例如核仁、核斑、卡哈爾體和異染色質(zhì)。這些區(qū)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(jié)構(gòu)域和/或固有無(wú)序域的蛋白質(zhì)以及核酸）之間的多價(jià)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(zhǎng)，并通過(guò)融合聚結(jié)成更大簇群；而成分不同的凝聚體則保持不混溶狀態(tài)。然而，在擁擠的核環(huán)境中或在特定條件（如應(yīng)激）下，不同的凝聚體能夠形成保守的相互關(guān)聯(lián)，從而組裝成更高階的結(jié)構(gòu)。盡管已有許多研究關(guān)注單個(gè)凝聚體的形成與功能，但不同凝聚體如何在體內(nèi)相互作用并影響彼此仍不清楚。

核仁是核糖體合成的場(chǎng)所，在細(xì)胞周期進(jìn)程、應(yīng)激反應(yīng)和蛋白質(zhì)隔離中發(fā)揮關(guān)鍵作用。它是一種多相凝聚體，在轉(zhuǎn)錄的核糖體RNA基因處組裝形成三個(gè)具有不同成分和物理性質(zhì)的亞區(qū)室：纖維中心（負(fù)責(zé)rRNA轉(zhuǎn)錄）、致密纖維組分（負(fù)責(zé)rRNA加工）和顆粒組分（負(fù)責(zé)核糖體組裝）。在大多數(shù)真核細(xì)胞核中，核仁被著絲粒周?chē)惾旧|(zhì)（PCH）所環(huán)繞，后者是由數(shù)百萬(wàn)堿基對(duì)的著絲粒周?chē)貜?fù)序列（包括串聯(lián)重復(fù)的衛(wèi)星DNA和轉(zhuǎn)座元件）構(gòu)成的染色質(zhì)區(qū)室。PCH與轉(zhuǎn)錄沉默相關(guān)，并在核結(jié)構(gòu)、染色體分離和基因組穩(wěn)定性中起重要作用。 在顯微鏡下， PCH可通過(guò)DAPI、H3K9me 2/3 及其對(duì)應(yīng)的表觀遺傳閱讀器HP1來(lái)識(shí)別。HP1是一種多價(jià)蛋白，具有結(jié)構(gòu)域和無(wú)序域，能在體外發(fā)生相分離并分配DNA和核小體，在體內(nèi)則由富含H3K9me2/3的染色質(zhì)成核形成液態(tài)凝聚體。核仁與PCH相鄰的一種解釋是，rDNA的串聯(lián)重復(fù)序列嵌入部分染色體的異染色質(zhì)重復(fù)區(qū)中。然而，細(xì)胞學(xué)與測(cè)序分析表明，大多數(shù)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(duì)PCH定位于核仁周?chē)臋C(jī)制知之甚少。理解這一問(wèn)題至關(guān)重要，因?yàn)閮烧叩墓步M織是核結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著保守特征，其在衰老細(xì)胞中的紊亂提示PCH-核仁相互作用對(duì)細(xì)胞健康至關(guān)重要。

近 日， 加州大學(xué)伯克利分校 的 Gary H. Karpen 團(tuán)隊(duì)在 Nature Cell Biology 上發(fā)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(fā)生過(guò)程中的高分辨率活體成像，揭示了PCH與核仁關(guān)聯(lián)的從頭建立具有高度動(dòng)態(tài)性：PCH從沿核膜邊緣延伸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)繞核仁。通過(guò)移除核糖體RNA基因來(lái)消除核仁會(huì)破壞這一過(guò)程，導(dǎo)致PCH壓縮程度增加，隨后重組為環(huán)狀結(jié)構(gòu)。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(huán)狀結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域富集。將這些體內(nèi)觀察結(jié)果與基于多相潤(rùn)濕理論的分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)核仁-PCH的關(guān)聯(lián)可以通過(guò)PCH、核仁以及對(duì)兩個(gè)區(qū)室具有雙重親和力的蛋白質(zhì)之間的相互作用強(qiáng)度層級(jí)來(lái)介導(dǎo)。同時(shí)鑒定出一種具有此類(lèi)特性的蛋白質(zhì)——一種名為Pitchoune的DEAD-box RNA解旋酶——驗(yàn)證了這一模型，并證明調(diào)節(jié)其對(duì)核仁或PCH組分的親和力會(huì)改變核仁-PCH的組織結(jié)構(gòu)。

為了研究PCH凝聚體如何相對(duì)于果蠅細(xì)胞的多相核仁進(jìn)行組織， 研究人員首先 在果蠅胚胎中表達(dá)核仁亞區(qū)室與PCH的熒光標(biāo)志物，使用RNA聚合酶I亞基E標(biāo)記纖維中心，F(xiàn)ibrillarin和Nopp140標(biāo)記致密纖維組分，Modulo和Nucleostemin 1標(biāo)記顆粒組分，并用HP1a可視化PCH，進(jìn)行活細(xì)胞成像分析。在早期果蠅胚胎進(jìn)行高分辨率延時(shí)成像，發(fā)現(xiàn)果蠅胚胎在囊胚期細(xì)胞化前經(jīng)歷14次合胞體核分裂，染色質(zhì)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(xiàn)在周期11，但核仁在周期13才首次出現(xiàn)；因此周期13是兩個(gè)凝聚體最早共存于同一細(xì)胞核的時(shí)期。進(jìn)入周期13間期后，HP1a和Fib蛋白最初彌散分布于整個(gè)細(xì)胞核，隨后在大約8分鐘內(nèi)各自富集成多個(gè)獨(dú)立焦點(diǎn)。在整個(gè)周期13中，小的PCH和核仁凝聚體保持分離狀態(tài)，這可能是由于短暫的間期（約15分鐘）限制了生長(zhǎng)，隨后兩者在分裂期解離。周期14開(kāi)始時(shí)與周期13類(lèi)似，HP1a和Fib焦點(diǎn)在分裂結(jié)束后很快出現(xiàn)并保持分離。在周期14較長(zhǎng)的間期（約90分鐘）中，PCH和核仁經(jīng)歷生長(zhǎng)和自融合過(guò)程。然而，在周期14中PCH并未直接形成典型的環(huán)繞構(gòu)型，而是從核仁延伸出去，同時(shí)一端通過(guò)rDNA錨定，稱此構(gòu)型為"延伸構(gòu)型"。延伸構(gòu)型在具有兩個(gè)核仁的細(xì)胞核中同樣存在，當(dāng)細(xì)胞核中兩個(gè)rDNA陣列未配對(duì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象。對(duì)囊胚期后異步細(xì)胞分裂中HP1a和Fib的持續(xù)活細(xì)胞成像揭示了PCH的延伸構(gòu)型如何動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥砥诎l(fā)育階段觀察到的環(huán)繞構(gòu)型。PCH在周期15剩余時(shí)間內(nèi)迅速形成沿核邊緣排列的延伸構(gòu)型，在周期16期間于延伸和環(huán)繞構(gòu)型間轉(zhuǎn)換，并在進(jìn)入周期17間期約15分鐘后穩(wěn)定包裹核仁。HP1a在核仁周?chē)亩S覆蓋比例從周期14到周期17由10%增加至30%。這些實(shí)驗(yàn)共同以高時(shí)空分辨率揭示了果蠅胚胎發(fā)育過(guò)程中兩個(gè)最大核內(nèi)凝聚體的重組過(guò)程。觀察到PCH和核仁凝聚體經(jīng)歷獨(dú)立的成核、生長(zhǎng)和融合過(guò)程，呈現(xiàn)周期特異性差異，其中PCH動(dòng)態(tài)地從延伸構(gòu)型（主要與核周邊相關(guān)）轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)繞構(gòu)型（與核仁相關(guān)）。

隨后，研究人員對(duì)影響核仁-PCH之間組裝動(dòng)態(tài)的因素進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)核仁對(duì)于三維細(xì)胞核中正常PCH凝聚體組織是必需的，并能防止PCH過(guò)度壓縮?；诤巳逝cPCH組分間相互作用強(qiáng)度層級(jí)、并結(jié)合雙重親和力蛋白存在的模型，能夠重現(xiàn)含rDNA與不含rDNA細(xì)胞核中的空間組織特征。在體內(nèi)破壞或調(diào)節(jié)這些相互作用層級(jí)會(huì)導(dǎo)致核仁相分離、新凝聚體形成以及凝聚體組織改變。同時(shí)鑒定出Pitchoune蛋白是一種雙重親和力蛋白，其通過(guò)與核仁和PCH組分的結(jié)構(gòu)域特異性相互作用，實(shí)現(xiàn)其在核仁亞區(qū)的定位及PCH圍繞核仁的組織。

總之，該研究揭示了動(dòng)物發(fā)育過(guò)程中建立核仁-PCH關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)調(diào)控程序，并闡明了相互作用層級(jí)和雙重親和力分子連接器如何協(xié)同組織成分不同的生物分子凝聚體。

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

制版人： 十一

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