Nat Cell Biol | 核仁和异染色质凝聚体的组织动态过程

撰文 |章台柳

真核细胞核内存在许多无膜区室或生物分子凝聚体，它们通过相分离机制组装而成，例如核仁、核斑、卡哈尔体和异染色质。这些区室的形成依赖于各凝聚体中富集的特异性大分子（包括具有结构域和/或固有无序域的蛋白质以及核酸）之间的多价相互作用。含有相同分子的凝聚体可以在不同位置成核、生长，并通过融合聚结成更大簇群；而成分不同的凝聚体则保持不混溶状态。然而，在拥挤的核环境中或在特定条件（如应激）下，不同的凝聚体能够形成保守的相互关联，从而组装成更高阶的结构。尽管已有许多研究关注单个凝聚体的形成与功能，但不同凝聚体如何在体内相互作用并影响彼此仍不清楚。

核仁是核糖体合成的场所，在细胞周期进程、应激反应和蛋白质隔离中发挥关键作用。它是一种多相凝聚体，在转录的核糖体RNA基因处组装形成三个具有不同成分和物理性质的亚区室：纤维中心（负责rRNA转录）、致密纤维组分（负责rRNA加工）和颗粒组分（负责核糖体组装）。在大多数真核细胞核中，核仁被着丝粒周围异染色质（PCH）所环绕，后者是由数百万碱基对的着丝粒周围重复序列（包括串联重复的卫星DNA和转座元件）构成的染色质区室。PCH与转录沉默相关，并在核结构、染色体分离和基因组稳定性中起重要作用。 在显微镜下， PCH可通过DAPI、H3K9me 2/3 及其对应的表观遗传阅读器HP1来识别。HP1是一种多价蛋白，具有结构域和无序域，能在体外发生相分离并分配DNA和核小体，在体内则由富含H3K9me2/3的染色质成核形成液态凝聚体。核仁与PCH相邻的一种解释是，rDNA的串联重复序列嵌入部分染色体的异染色质重复区中。然而，细胞学与测序分析表明，大多数染色体（包括不含rDNA的染色体）的PCH序列均与核仁接触；因此，PCH在核仁边缘的组织并不依赖于与rDNA的顺式邻近性。目前对PCH定位于核仁周围的机制知之甚少。理解这一问题至关重要，因为两者的共组织是核结构的一个显著保守特征，其在衰老细胞中的紊乱提示PCH-核仁相互作用对细胞健康至关重要。

近 日， 加州大学伯克利分校 的 Gary H. Karpen 团队在 Nature Cell Biology 上发表了题为 Hierarchical interactions between nucleolar and heterochromatin condensates are mediated by a dual-affinity protein 的文章，利用果蝇胚胎发生过程中的高分辨率活体成像，揭示了PCH与核仁关联的从头建立具有高度动态性：PCH从沿核膜边缘延伸逐渐转变为环绕核仁。通过移除核糖体RNA基因来消除核仁会破坏这一过程，导致PCH压缩程度增加，随后重组为环状结构。此外，在缺乏核糖体RNA基因的胚胎中，核仁蛋白被重新分配到新的凝聚体或"新凝聚体"中，包括在PCH环状结构的中心区域富集。将这些体内观察结果与基于多相润湿理论的分子动力学模拟相结合，发现核仁-PCH的关联可以通过PCH、核仁以及对两个区室具有双重亲和力的蛋白质之间的相互作用强度层级来介导。同时鉴定出一种具有此类特性的蛋白质——一种名为Pitchoune的DEAD-box RNA解旋酶——验证了这一模型，并证明调节其对核仁或PCH组分的亲和力会改变核仁-PCH的组织结构。

为了研究PCH凝聚体如何相对于果蝇细胞的多相核仁进行组织， 研究人员首先 在果蝇胚胎中表达核仁亚区室与PCH的荧光标志物，使用RNA聚合酶I亚基E标记纤维中心，Fibrillarin和Nopp140标记致密纤维组分，Modulo和Nucleostemin 1标记颗粒组分，并用HP1a可视化PCH，进行活细胞成像分析。在早期果蝇胚胎进行高分辨率延时成像，发现果蝇胚胎在囊胚期细胞化前经历14次合胞体核分裂，染色质特征（如H3K9甲基化）在这些周期中逐步建立。尽管PCH凝聚体首次出现在周期11，但核仁在周期13才首次出现；因此周期13是两个凝聚体最早共存于同一细胞核的时期。进入周期13间期后，HP1a和Fib蛋白最初弥散分布于整个细胞核，随后在大约8分钟内各自富集成多个独立焦点。在整个周期13中，小的PCH和核仁凝聚体保持分离状态，这可能是由于短暂的间期（约15分钟）限制了生长，随后两者在分裂期解离。周期14开始时与周期13类似，HP1a和Fib焦点在分裂结束后很快出现并保持分离。在周期14较长的间期（约90分钟）中，PCH和核仁经历生长和自融合过程。然而，在周期14中PCH并未直接形成典型的环绕构型，而是从核仁延伸出去，同时一端通过rDNA锚定，称此构型为"延伸构型"。延伸构型在具有两个核仁的细胞核中同样存在，当细胞核中两个rDNA阵列未配对时会出现此现象。对囊胚期后异步细胞分裂中HP1a和Fib的持续活细胞成像揭示了PCH的延伸构型如何动态转变为晚期发育阶段观察到的环绕构型。PCH在周期15剩余时间内迅速形成沿核边缘排列的延伸构型，在周期16期间于延伸和环绕构型间转换，并在进入周期17间期约15分钟后稳定包裹核仁。HP1a在核仁周围的二维覆盖比例从周期14到周期17由10%增加至30%。这些实验共同以高时空分辨率揭示了果蝇胚胎发育过程中两个最大核内凝聚体的重组过程。观察到PCH和核仁凝聚体经历独立的成核、生长和融合过程，呈现周期特异性差异，其中PCH动态地从延伸构型（主要与核周边相关）转变为环绕构型（与核仁相关）。

随后，研究人员对影响核仁-PCH之间组装动态的因素进行探究，发现核仁对于三维细胞核中正常PCH凝聚体组织是必需的，并能防止PCH过度压缩。基于核仁与PCH组分间相互作用强度层级、并结合双重亲和力蛋白存在的模型，能够重现含rDNA与不含rDNA细胞核中的空间组织特征。在体内破坏或调节这些相互作用层级会导致核仁相分离、新凝聚体形成以及凝聚体组织改变。同时鉴定出Pitchoune蛋白是一种双重亲和力蛋白，其通过与核仁和PCH组分的结构域特异性相互作用，实现其在核仁亚区的定位及PCH围绕核仁的组织。

总之， 该 研究揭示了动物发育过程中建立核仁-PCH关联的动态调控程序，并阐明了相互作用层级和双重亲和力分子连接器如何协同组织成分不同的生物分子凝聚体。

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

制版人： 十一

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