Mol Cell | 核仁颗粒组分亚相调控核糖体的生物发生

撰文|珊今

几乎每一本细胞生物学教材都会告诉我们，核仁是细胞核内负责制造核糖体的场所。它没有膜，却能把核糖体RNA的转录、加工和装配安排在不同区域中。早期电镜观察把核仁分为纤维中心（fibrillar center，FC）、致密纤维组分（dense fibrillar component，DFC）和颗粒组分（granular component，GC）三层：rRNA在FC附近开始转录，在DFC中经历加工，随后进入GC，与核糖体蛋白和大量装配因子结合，形成大小亚基【1】。

这套“三层结构”解释了核仁的大体分工，却留下了一个长期存在的问题：为什么最外层的GC在电镜下呈现出密集而不均一的颗粒状结构？如果GC只是一个由NPM1维持的均一液滴，那么处于不同装配阶段的rRNA、核糖体蛋白和数以百计的装配因子，如何在其中按顺序相遇，又如何在组装完成后及时离开？已有研究证明核仁各层可由共存液相和RNA驱动的结构组织形成，但GC内部细小颗粒的来源与功能仍未得到解释【2，3】。

近日， 美国St Jude儿 童医院Richard W. Kriwacki团队在Molecular Cell发表题为Granular component sub-phases direct ribosome biogenesis in the nucleolus的文章。 研究者利用超分辨成像、体外凝聚体重构和核糖体装配中间体分析发现，GC内部并不是单一、均匀的液相，而是包含组成和物理性质不同的亚相 。以SURF6和rRNA为主的内核负责富集未成熟装配中间体，NPM1富集的外层则参与接收并带走逐渐成熟的核糖体亚基。GC由此呈现出一条受分子亲和力和热力学驱动的装配“流水线”【4】。

研究者首先在DLD-1细胞中标记内源NPM1和FBL，并用5-乙炔基尿苷进行30分钟脉冲标记来追踪新生rRNA。NPM1是GC中含量很高的支架蛋白，SURF6则是pre-60S大亚基早期装配因子，N端含有多段富含精氨酸和赖氨酸的无序序列【5，6】。结构光照明显微镜和Airyscan超分辨成像显示，GC内部三种信号并非均匀重叠：新生rRNA更倾向于与SURF6位于同一区域，而与NPM1存在空间错位。Manders重叠系数及从纤维中心向外进行的径向分布分析都得到相同结果，说明新生rRNA首先进入SURF6更丰富的内侧区域，NPM1则更多分布在相对外侧。

为了判断这种分层是否由分子本身的相互作用产生，作者把NPM1、SURF6和rRNA带到试管中。三组二元体系都能发生相分离，但SURF6在更低浓度下即可与rRNA形成凝聚体。三者同时存在时，液滴自动分成内核和外壳：rRNA和SURF6集中在内部，NPM1富集于外层；细菌总rRNA和人源总rRNA都能重现这一结构。定量结果显示，rRNA在内核中的信号约为外壳的6倍，SURF6约为2.8倍，而NPM1主要停留在外壳。外壳可在数秒内融合，内核融合则需要数分钟；向凝聚体中补加SURF6或rRNA时，新加入的分子会穿过外壳并优先进入内核。RNase A降解RNA后，双相结构随之消失，说明rRNA既是装配底物，也是维持GC亚相的重要结构成分 。

作者随后检验了内核为何稳定地位于外壳之中。分别形成SURF6-rRNA和NPM1-SURF6凝聚体后再将二者混合，前者很快被后者包裹。ANS、Nile red探针和接触角测量均表明，SURF6-rRNA相比NPM1富集相更疏水、界面张力更高，因此在热力学上更适合位于内部。增加SURF6或rRNA都会推动NPM1与rRNA分离；相反，在细胞中用放线菌素D抑制rRNA转录后，核仁rRNA信号下降约3.8倍，NPM1与SURF6的共定位反而升高，为体外重构结果提供了细胞内验证。

图1 SURF6富集亚相保留未组装rRNA，NPM1富集亚相参与成熟核糖体亚基的提取与外排

为了检验这些亚相是否直接参与核糖体装配过程，作者进一步比较了未组装rRNA与已进入核糖体颗粒的rRNA在凝聚体中的行为。SURF6与未组装的人源rRNA形成的凝聚体更多、更大，rRNA分配系数也远高于已经进入pre-60S颗粒的rRNA。加入过量NPM1后，大部分未组装rRNA仍被保留，已装配的pre-60S颗粒却只有约45%继续停留；细菌体系也呈现相同规律，未组装rRNA约有77%被保留，而组装成70S核糖体后的rRNA仅约28%停留。脉冲-追踪成像进一步显示，刚合成的rRNA与SURF6更接近，追踪30分钟后，较成熟rRNA与NPM1的空间相关性升高。由此作者提出，新生rRNA先被SURF6及性质相近的装配因子捕获，在内侧亚相中完成早期组装；随着核糖体蛋白逐步装入，SURF6与颗粒的作用减弱，大量存在于外层的NPM1便更容易把成熟颗粒从内核中提取出来，推动其向核质外排。需要指出的是，超分辨成像尚不足以直接解析纳米尺度的装配中间体，细胞实验也主要在DLD-1细胞中完成；其他装配因子是否建立类似亚相，以及这一机制能否推广到不同细胞类型，仍需进一步验证。

总之，这项研究从细胞成像、体外重构和不同装配状态rRNA的比较三个层面，说明GC内部的颗粒化并非随机杂乱，而是由组成和物理性质不同的液态亚相共同建立。 SURF6富集亚相负责捕获并保留早期rRNA装配中间体，NPM1富集亚相则在颗粒逐渐成熟后促进其向外转移。由此， 核仁GC被描绘成一套依靠分子亲和力变化和热力学分配运行的装配体系，为理解核糖体生物发生如何在无膜环境中保持顺序和方向提供了新的机制框架。

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2026.06.035

制版人： 十一

参考文献

1 Feric, M. et al. Coexisting Liquid Phases Underlie Nucleolar Subcompartments.Cell165 , 1686-1697 (2016).

2 Riback, J. A. et al. Composition-dependent thermodynamics of intracellular phase separation.Nature581 , 209-214 (2020).

3 Quinodoz, S. A. et al. Mapping and engineering RNA-driven architecture of the multiphase nucleolus.Nature644 , 557-566 (2025).

4 Dogra, P. et al. Granular component sub-phases direct ribosome biogenesis in the nucleolus.Molecular Cell86 , 1-14 (2026).

5 Ferrolino, M. C. et al. Compositional adaptability in NPM1-SURF6 scaffolding networks enabled by dynamic switching of phase separation mechanisms.Nature Communications9 , 5064 (2018).

6 Vanden Broeck, A. & Klinge, S. Principles of human pre-60S biogenesis.Science381 , eadh3892 (2023).

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