核仁的多功能角色：从核糖体生物发生到细胞周期调控与人类疾病

作者与发表信息
本文由François-Michel Boisvert、Silvana van Koningsbruggen、Joaquín Navascués和Angus I. Lamond（来自英国邓迪大学Wellcome Trust生物中心）合作撰写，于2007年7月发表在《Nature Reviews Molecular Cell Biology》（DOI:10.1038/nrm2184）。

主题与背景
核仁是真核细胞中最显著的核内结构，传统上被认为是核糖体亚基生物发生的场所。然而，近年来的研究表明，核仁的功能远不止于此。本文系统综述了核仁在核糖体合成、细胞周期调控、应激响应、RNP（核糖核蛋白）生物发生及人类疾病中的多重作用，并基于大规模蛋白质组学数据，揭示了核仁蛋白质组的动态性和功能多样性。

核仁的核心功能：核糖体生物发生的中心

核仁的形成始于有丝分裂末期，围绕核仁组织区（NORs, nucleolar organizer regions）中的核糖体DNA（rDNA）串联重复基因簇。其结构可分为三个亚区：
1. 纤维中心（FC, fibrillar centre）：富含RNA聚合酶I（RNA Pol I），负责rDNA转录。
2. 致密纤维组分（DFC, dense fibrillar component）：聚集小核仁核糖核蛋白（snoRNPs），介导前体rRNA（pre-rRNA）的剪切与修饰（如2′-O-甲基化和假尿苷化）。
3. 颗粒组分（GC, granular component）：完成核糖体亚基的最终组装。

蛋白质组学突破
通过大规模纯化核仁结合质谱技术，研究者鉴定出人类细胞中超过700种核仁蛋白，其中约30%直接参与核糖体合成，其余蛋白涉及RNA加工、细胞周期调控等。值得注意的是，90%的人类核仁蛋白在酵母中有同源物，表明其功能在进化中高度保守。

核仁与有丝分裂的动态调控

核仁在有丝分裂中经历解体和重组，这一过程与细胞周期核心激酶（如Cyclin B1-CDK1）的活性密切相关：
- 前期：Cyclin B1-CDK1磷酸化rDNA转录机器（如SL1和TTF1），导致RNA Pol I亚基（如RPA39）从FC区解离，核仁开始解体。
- 中期：rRNA加工因子（如纤维蛋白fibrillarin）从DFC释放，部分附着于染色体周围形成“染色体外周区（PR, perichromosomal region）”，可能参与子细胞间组分的均等分配。
- 后期：加工因子在细胞质中形成“核仁衍生焦点（NDFs）”，随后在末期转移至“前核仁体（PNBs, pre-nucleolar bodies）”，最终通过“桥接”结构将组分递送至新形成的核仁。

独立调控机制
rDNA转录和rRNA加工的重新激活受不同信号调控。例如，抑制Cyclin B1-CDK1可恢复rDNA转录，但无法重启rRNA加工，提示核仁重组需要多层次的时序控制。

核仁在细胞周期与应激响应中的非经典功能

1. 细胞周期调控

   • SUMO化修饰：核仁特异性蛋白酶SENP5通过调控SUMO（小泛素样修饰蛋白）化水平影响细胞分裂。
     
   • 磷酸酶CDC14与PP1γ：酵母中CDC14被锚定蛋白Net1抑制于核仁内，直至后期才释放以促进有丝分裂退出；人类PP1γ则在核仁与染色质间动态穿梭，调控染色体凝聚。
     
   • 端粒酶隔离：端粒酶逆转录酶（telomerase）在S期前被核仁蛋白nucleolin隔离，确保端粒复制的时序精确性。
     

2. 应激响应

   • p53通路：核仁通过ARF（p14ARF/MDM2通路）感知致癌压力。ARF与HDM2结合并滞留于核仁，阻止p53的泛素化降解，从而激活细胞周期阻滞或凋亡。
     
   • rRNA合成抑制：应激信号（如DNA损伤）通过JNK2磷酸化转录因子TIF-IA，抑制RNA Pol I活性，降低核糖体合成以节约能量。
     

核仁与人类疾病

1. 癌症与基因组不稳定

   • RecQ解旋酶缺陷：Werner综合征（WRN基因）、Bloom综合征（BLM基因）和Rothmund-Thomson综合征（RECQL4基因）均与核仁定位的DNA解旋酶突变相关，导致基因组不稳定和癌症易感性。
     
   • 核糖体蛋白突变：Diamond-Blackfan贫血（RPS19突变）和先天性角化不良（dyskerin突变）分别影响18S rRNA成熟和端粒酶稳定性，凸显核仁在血液疾病中的作用。
     

2. 病毒感染
   多种病毒（如HIV、HTLV-1）利用核仁蛋白（如B23）完成病毒蛋白的核质运输或复制，例如HIV Rev蛋白通过B23介导的核仁定位逃逸宿主防御。

3. 神经退行性疾病
   阿尔茨海默病患者核仁组织区（NORs）活性降低，亨廷顿病中polyQ聚集物与核仁蛋白nucleolin相互作用，提示核仁功能紊乱可能参与病理过程。

核仁作为其他RNP的加工中心

除rRNA外，核仁还参与：
- 信号识别颗粒（SRP）：SRP RNA与蛋白在核仁中预组装后输出至胞质。
- snoRNA指导的修饰：C/D box snoRNA（如U3）和H/ACA box snoRNA（如dyskerin复合体）分别介导2′-O-甲基化和假尿苷化，影响剪接体snRNA（如U6）的功能。
- microRNA（miRNA）：如miR-206与核糖体共定位于核仁，可能参与翻译调控。

科学意义与价值

本文系统整合了核仁在经典与非经典功能中的分子机制，其核心贡献包括：
1. 理论层面：突破“核仁仅合成核糖体”的传统认知，提出其作为“多功能枢纽”的动态模型。
2. 技术层面：通过定量蛋白质组学揭示了核仁蛋白的时空动态变化，为细胞器功能研究提供范式。
3. 医学应用：阐明核仁相关蛋白突变在遗传病和癌症中的作用，为靶向治疗（如p53激活剂、端粒酶抑制剂）提供新思路。

亮点
- 动态蛋白质组：首次定量刻画核仁蛋白在转录抑制（如放线菌素D处理）下的动态变化。
- 进化保守性：人类与酵母核仁蛋白的高度同源性暗示其基础性生物学地位。
- 跨疾病关联：从遗传综合征到病毒感染，核仁的病理机制串联起多个医学领域。

总结
核仁是真核细胞中一个高度动态且多功能的亚核结构，其功能从核糖体合成延伸到细胞周期调控、应激响应和疾病发生。未来研究需进一步解析核仁如何整合内外信号协调这些功能，并为相关疾病治疗提供分子靶点。