核仁研究新进展_冯金梅汇总

1、cn53-1040/q issn 0254-5853动 物 学 研 究2012, dec. 33(6): 549- 556zoological researchdoi : 10.3724/sp.j.1141.2012.06549lq#-2013 china academic janmal electronic publishing huuse. al rights reserved.ww,nki ndl核仁研究新进展冯金梅，孙隽，文建凡*(中国科学院昆明动物研究所 遗传资源与进化国家重点实验室，云南 昆明650223)摘要：核仁是真核细胞间期核中最显著的结构。其主要功能是进行rrna的合成和核

2、糖体大、小亚基的装配。然而，近年来的研究提示核仁可能还参与了一系列其他功能活动，如mrna和trna的加工成熟、信号识别颗粒的组装、端粒酶活性和调节细胞周期等。对多个物种核仁蛋白质组数据的分析也显示核仁中具有许多与核糖体生 物合成无关以及功能未知的蛋白，表明核仁在组成和功能上远比人们以前的认识复杂。同时 ，核仁蛋白质组数据的获得也为人们从组学水平研究核仁的起源与进化提供了新视角。该文对近年来在核仁结构、功能、蛋白质/基因组学研究及其起源与进化等方面的进展进行了概述，并探讨了一些有待于进一步研究的问题。关键词：核仁；结构；功能；蛋白质组学；起源与进化中图分类号：q243文献标志码：a文章编号：0

3、254-5853-(2012)06-0549-08advances in the study of the nucleolus_ _ *feng jin-mei, sun jun, wen jian-fan(state key laboratory of genetic resources and evolution, kunming institute of zoology, the chinese academy of sciences, kunming650223, china)abstract: as the most prominent sub-nuclear compartment

4、 in the interphase nucleus and the site of ribosome biogenesis, the nucleolus synthesizes and processes rrna and also assembles ribosomal subunits. though several lines of research in recent years have indicated that the nucleolus might have additional functions such as the assembling of signal reco

5、gnition particles, the processing of mrna, trna and telomerase activities, and regulating the cell cycle proteomic analyses of the nucleolus in three representative eukaryotic species has shown that a plethora of proteins either have no association with ribosome biogenesis or are of presently unknow

6、n function. this phenomenon further indicates that the composition and function of the nucleolus is far more complicated than previously thought. meanwhile, the available nucleolar proteome databases has provided new approaches and led to remarkable progress in understanding the nucleolus. here, we

7、have summarized recent advances in the study of the nucleolus, including new discoveries of its structure, function, genomics/proteomics as well as its origin and evolution. moreover, we highlight several of the important unresolved issues in this field.key words: nucleolus; structure; function; pro

8、teomics; origin and evolution收稿日期：2012-09-06;接受日期：2012-10-15基金项目：国家基金委项目(30830018);科技部973项目课题(2007cb815705)?通信彳者(corresponding author), e-mail: 第一作者简介：冯金梅，女，博士研究生，主要从事核仁的起源与进化研究核仁(nucleolus)是普遍存在于真核细胞间期核 中最显著的结构。20世纪60年代人们就已认识到 核仁的主要功能是作为真核细胞rdna转录、加工和核糖体大、小亚基组装的场所。rrna在核仁中被转录、加工并

9、与其他一些蛋白和小分子组装成核 糖体大、小亚基，然后输出细胞核，在细胞质中装 配成完整的核糖体以执行蛋白质合成功能，因此核仁被称为 核糖体加工工厂(warner, 1990)。然而， 近年来的一系列研究提示核仁还具有其他一些与核糖体生物合成并不直接相关的功能，如信号识别颗粒(srp)的组装、mrna的产生和运输、小 rna 分子修饰、rna编辑、端粒的成熟、细胞周期调控 和感受细胞胁迫等(olson et al, 2002; boisvert et al, 2007; brown & shaw, 2008; shaw & brown, 2012)。 特别是近年来不断进步的核仁分离技术以及高通

10、量质谱鉴定和分析核仁蛋白技术的不断发展，已获得多个物种的核仁蛋白质组数据(huh et al, 2003;pendle et al, 2005; ahmad et al, 2009),导致人们对6期冯金梅等：核仁研究新进展 553核仁的组成与功能有了新的认识，同时也为从 组学”水平研究核仁的起源与进化奠定了数据基础。 总之，从发现核仁的主要功能为核糖体生物合成至 今的近半个世纪以来，有关核仁的研究取得了很大 进展，本文概述了近年来在核仁结构、功能、蛋白 质组学分析及其起源与进化等方面的进展。1核仁结构核仁是细胞核内由紧密组织在rrna基因周围的一些蛋白和小分子rna组成的结构,且不被膜包裹。通

11、过电镜超薄切片观察可见高等动物的典型 核仁由三个特征性区域组成：纤维中心fibrillarcentres, fc)是包埋在颗粒组分内部的浅染低电子密 度区域，大小在0.11.0皿包围着fc的致密纤维 组分(dense fibrillar component, dfc) 是核仁超微结 构中电子密度最高的部分；颗粒组分(granular component, gc)是代谢活跃的细胞核仁的主要结构，由直径1520 nm的颗粒组成。尽管人们以前一直试图将核仁的超微结构简 化为上述三个牛i征性区域，但新的研究表明实际上 动、植物细胞的核仁存在显著差异(shaw & brown,2012)。在高等动物典型

12、核仁中，gc、dfc和fc的 体积分别为75%、17%和2%。高等植物细胞核仁 的dfc多达70%,而fc仅为1%, dfc 染色并不 比gc染色深，且植物细胞核仁中普遍具有核仁腔。随着研究的深入，人们发现并不是所有细胞的 核仁都具有以上三个特征性区域。例如 ，除羊膜动 物的细胞核仁具有三个特征性区域外，其他真核生 物的核仁均仅具有两个特征性区域(不具有 fc)(thiry & lafontaine, 2005)。对单细胞原生生物 贾第虫的研究也显示后一种情况：虽然前人的研究 认为贾第虫不具有核仁结构(li et al, 1997; xin et al,2005)，但近来的研究表明其不仅具有核

13、仁结构，且其核仁仅具有 dfc和 gc而缺乏 fc (jimenez- garcia et al, 2008)。然而，也有研究不支持以上观点 例如无羊膜两栖类动物的细胞核仁中确实存在fc组分(handwerger et al, 2005)。实际上，核仁结构可能与细胞内核糖体生物合 成的速率相关。通常，当细胞内核糖体生物合成的 速率很高时，核仁具有多个fc,而当细胞代谢和转 录活性很低时，细胞核仁仅具有一个 fc。例如，人 休眠的淋巴细胞核仁仅具有一个包含单个fc组分的小核仁(hozak et al, 1994);而快速生长的哺乳动 物的体细胞常常有多个大核仁，且每个核仁都有许 多fc (kob

14、erna et al, 2002);有意思的是，具有高度 活性的老鼠神经元细胞核仁同时具有一个巨大的 fc(gfc)和多个 fc 组分(casafont et al, 2007)。以上研究表明仅用三个特征性区域来概括核 仁结构可能过于简单。人们曾经认为gc中的颗粒完全是核糖体生物合成过程中多个不同阶段加工 产生的前核糖体颗粒，但近来的研究表明一些其他 类型的复合体可能占据了gc中的特定区域(politzet al, 2005)。另外，对dfc特异的核仁标记蛋白 fibrillarin在转录过程中虽然与rrna基因紧密相连， 在复制过程中却并不与rrna基因定位在一起，这提示dfc存在功能上的异

15、质性 (pliss et al, 2005)。 这些现象均表明核仁结构可能远比我们目前的认 识复杂。2核仁功能很早已有研究表明核仁可能具有除核糖体生 物合成以外的功能。如 20世纪60年代末，hela细 胞与鸡红细胞的融合实验就表明核仁对于特定mrna 的表达是必需的(harris, 1967)。近年来，越 来越多的研究表明许多与核糖体生物合成不相关 的蛋白及一些功能未知的蛋白也定位于核仁中，提示核仁可能还具有许多除核糖体生物合成以外的 功能。具体如下：2.1 参与除rrna以外的其他 rna的代谢2.1.1 mrna 的产生和运输 在早期证明核仁可 能与特定mrna的产生相关后，越来越多的研

16、究结 果支持这一观点。如哺乳动物c-myc蛋白的mrna 定位于核仁内(bond & wold, 1993); 酵母中大量参 与拼接过程的 snrnas定位于核仁(potashkin et al, 1990);酵母核仁形态的异常与mrna产生和运输的异常相关，而mrna产生和运输异常的酵母突变 株核仁中富集有 poly(a) + rna (schneiter et al, 1995; tani et al, 1995);特别是植物的外显子连接复合体 (exon junction complex, ejc) 蛋 白与核 仁结合 (pendle et al, 2005),植物的多个 mrna转录本

17、聚集 于核彳二(kim et al, 2009)。此外，核仁还协助病毒 mrna的运输，例如，两个与mrna运输相关的人 类反转录病毒蛋白，htlv-i的rex蛋白和hiv的 rev蛋白，都具有显著的核仁定位现象(siomi et al,1988; kubota et al, 1989; michienzi et al, 2000)。2.1.2 rna 编辑 adar1 和adar2 是哺孚l动物中最常见的rna编辑酶,它们将长的dsrna分子 或特定mrna上的腺喋吟核甘脱氨基为次黄喋吟,这两个酶均具有一个核仁时期(desterro et al, 2003;nie et al, 2004;

18、sallacz & jantsch, 2005)。人类细胞谷 氨酸盐受体(glur-b)是这类酶的底物，在表达该底 物的rna 时，adar1 和adar2离开核仁并结合 到核质中包含glur-b前体rna的位点上。 adar2介导的 rna编辑过程发生在核仁，且 adar2富集于核仁内一个新的亚区域，该区域明 显不同于 fc、dfc 和 gc (vitali et al, 2005)。2.1.3 trna 的成熟原位杂交实验表明酵母的pre-trna 存在于核仁中(bertrand et al, 1998)。此外, 参与催化pre-trna 5剪切的rnase p的所用蛋白和 rna组分，以

19、及催化 pre-trna假尿喀咤化的 cbf5p/dyskerin 蛋白都定位于核仁 (jacobson et al, 1997; jarrous et al, 1999)。酵母核输出的trna均为氨酰化trna,而氨酰 突变缺失的酵母中trna富集于核仁，表明trna 氨酰化 的过程发生于核仁(steiner-mosonyi & mangroo, 2004)。通常，很多酵母trna基因定位于 核仁或其周围，但当pol iii多聚酶突变或trna启 动子无功能化时，这种定位情况将会减少或消失 (thompson et al, 2003)。另夕卜，当酵母pol ii转录基 因与trna基因邻近时

20、，pol ii转录基因将被沉默。 有假说认为核仁将邻近 trna的pol ii转录基因扣 留，使得pol ii转录基因进入缺乏相关多聚酶亚基 的核区域，因此，这种沉默可能由大量分散的 trna聚集于核仁所导致(wang et al, 2005)。2.1.4 srp 的组装 srp (signal recognition particle) 是由rna和一些蛋白组装形成的复合体。研究表 明至少srp组装的部分步骤是在核仁中发生的。jacobson & pederson (1998)将 srp rna 注射入培 养的哺乳动物细胞中，发现srp rna快速定位于 核仁，然后逐渐重定位于细胞质，这一结

21、果提示srp可能在核仁中组装后被输出。原位杂交和生化 分离等实验也证实了srp rna的这种定位情形(politz et al, 2000; sommerville et al, 2005)。此夕卜，脊 椎动物和酵母的成熟胞质srp的大部分蛋白组分(除srp54外的srp19、srp68和srp72)均定位于 核仁(politz et al, 2000; grosshans et al, 2001)。这些 研究均表明srp组装的核仁时期。2.1.5 核内小 rna(snrna)和核仁小 rna(snorna) 的加工与成熟 snrna通过形成拼接复合体的核心来参与拼接过程，snorna参与核糖

22、体的生物合 成。snrna和snorna本身都含有修饰碱基，其修 饰由存在于核仁附属结构一一卷曲体内的 snrnas指导，表明部分 snrna的成熟发生于卷曲体中 (jady et al, 2003; liu et al, 2006)。植物的许多snorna以多顺反子的前体形式被转录，原位杂交 实验显示这些pre-snorna存在于卷曲体和核仁内， 表明i!物snorna的加工发生于卷曲体和核仁中 (shaw et al, 1998)。近年来多个物种的核仁蛋白质组 学研究强烈支持许多 snrnps (特另是sm类蛋白) 具有一个核仁时期(huh et al, 2003; pendle et a

23、l, 2005; ahmad et al, 2009)。此外，研究表明 u4/u6.u5 和u2存在于核仁，它们成熟和组装的部分过程发 生于核仁(yu et al, 2001; gerbi & lange, 2002)。更 有意思的是，克隆和测序拟南芥核仁的rna揭示其核仁中具有多个 snrnas和snornas (kim et al, 2010)。这些研究表明核仁在snrna的成熟和snrnp的组装过程中具有重要作用。2.1.6 异染色质sirna途径异染色质sirna是 在植物中发现的，它是由rna聚合酶iv(pol iv)催 化着丝粒重复区域dna的两条链均发生转录产生的snrna。它

24、的产生需要 pol iv 的 大亚基 (nrpd1b)、ago3、dcl3 和 rdr2 等蛋白组分参 与，这些蛋白都与sirna共定位于核仁(li et al, 2006; pontes et al, 2006)。因此,sirna 的产生和沉 默复合体的组装等过程可能发生于核仁。2.2 调控细胞功能2.2.1 蛋白质翻译20世纪60年代，有研究表明 豌豆核仁中有蛋白质番u译过程的发生(birnstiel &hyde, 1963),但在确切证明蛋白质翻译发生于细胞 质后，这一结果被认为由细胞质污染所致。后来 ， iborra et al (2001)通过标记人类 hela细胞的氨酰 trna,

25、孵育培养后用荧光显微镜检测新生标记蛋 白的定位情况，结果发现有 9%15%的新生标记 蛋白定位于核仁；然而，nathanson et al (2003)重复 该实验后发现至多只有1%新生标记蛋白定位于核仁，推测核仁中检测到的新生标记蛋白可能来源于 细胞质污染。但是，已有的核仁蛋白质组数据表明 大量的转录起始因子和延伸因子等蛋白质翻译因 子存在于动、植物的核仁中(huh et al, 2003; pendle et al, 2005; ahmad et al, 2009)。因此，蛋白质翻译是 否发生于细胞核仁仍存在争议。2.2.2 细胞周期调控核仁可能通过滞留细胞周期调节物来调控细胞周期。研究较

26、为清楚的三个细 胞周期调节物是 cdc14p、mdm2 和 pch2 (visintin & amon, 2000)。cdc14p是一个蛋白磷酸酶，在促进 酵母细胞退出有丝分裂过程中具重要作用，在有丝分裂末期之前的所有时期，它以失活状态滞留在核 仁中，直到有丝分裂末期才从核仁释放到细胞核质 中，磷酸化cdk,从而起始有丝分裂过程的退出。mdm2是哺乳动物肿瘤抑癌蛋白p53的抑制子，通过调节p53的活性调控g1/g2期检验点。当原癌基 因myc具有活性时，mdm2被p19arf滞留在核仁中， 以使p53具有活性；当核仁中mdm2的浓度较高时， p19arf重定位于细胞质中，从而释放mdm2到细胞

27、 核。pch2定位于酵母和哺乳动物核仁，当同源重组和染色体联会发生错误时，pch2将富集于核仁，激 活粗线期检验点，阻止减数分裂细胞周期过程。2.2.3 细胞胁迫传感器当细胞受到uv照射、热休克和缺氧等刺激时，细胞核仁解聚，核仁蛋白释 放到核质中。 rubbi & milner (2003)报道核仁主要 通过一些核仁蛋白调控p53的功能实现细胞的应激反应。可变阅读框蛋白 a alternative reading frame, arf)是最常见的调控 p53功能的核仁蛋白。当细胞 在静息态时，p53通过与其泛素连接酶mdm2相互作用，不断地被泛素化标记，并被转位到胞质中 被蛋白酶体系统降解，从

28、而保持低水平的p53蛋白。当细胞处于应激状态时，核仁蛋白arf被释放 到核质中与 p53竞争性结合 mdm2,并将mdm2 带回核仁，阻断p53和mdm2的相互作用，p53得 以稳定并启动下游基因转录，抑制细胞周期，促进 细胞dna损伤修复或介导细胞衰老和凋亡，从而 对外界刺激做出反应 (boulon et al, 2010)。另外，两 种核仁蛋白，b23和核仁素(nucleolin),在胁迫条件 下可与p53蛋白直接或间接结合，从而对外界刺激 做出反应(grisendi et al, 2005)。此外,最近的研究 揭示核仁在对神经元细胞感受外界胁迫的应答过程中起着重要作用(hetman &

29、pietrzak, 2012)。2.2.4 细胞衰老酵母sir4基因突变体的寿命延长(guarente, 1997)是最早提示核仁与细胞衰老可能 相关的实验现象。在该突变体中，延长酵母寿命的蛋白uth4,可介导沉默的sir3蛋白和sir4蛋白从 端粒移位到核仁，正是这种重新定位促使细胞寿命 延长(kennedy et al, 1995)。此外，研究还发现核仁 蛋白sir1和fob1影响酵母细胞的年龄，sir1的突 变使酵母发生早熟现象，而fob1的突变使酵母细胞 的寿命延长(kobayashi, 2008)。众所周知，端粒与细胞的衰老密切相关。研究 发现端粒酶rna具有能够使其定位于核仁的h/

30、aca结构域(jady et al, 2004)。人端粒酶的反转 录催化亚基(htert)具有核仁定位信号，它的rna 和反转录酶组分均定位并组装于核仁( etheridge et al, 2002)。越来越多的研究表明端粒酶相关组分存 在于核仁，例如，拟南芥中发现 dyskerin的同源物 定位于核仁 (kannan et al, 2008);恶性疟原虫中pftert定位于与核仁相关联的核组分中 (figueiredo et al, 2005); 此外，端粒重复结合因子 (trf2)以一种细胞周期特异性的方式定位于核仁 (zhang et al, 2004)。有意思的是，kobayashi

31、(2008)提出了细胞衰老 的“rdna theory来解释核仁与细胞衰老的关系，即 细胞的衰老途径是由 rdna的不稳定驱动的。rdna 的不稳定性将导致核仁的无功能化，促进细胞的衰 老和最终的死亡，这提示rdna和核仁除了参与核 糖体生物合成外，还在细胞的衰老和死亡中发挥重 要作用。3核仁蛋白质组学随着核仁分离技术的不断改进，以及基于蛋白的分离纯化和高通量质谱分析的蛋白质组学分析 技术的不断成熟，核仁蛋白质组学分析近年来迅猛 发展，这为解答核仁研究中遇到的一系列难题奠定 了数据基础并提供了良好的研究视角。人核仁蛋白质组是首个被测定，也是目前研究最为深入的核仁蛋白质组。早在2002年，英国的

32、lamond和丹麦的manm领导的研究小组首次报道 了人核仁蛋白质组学分析结果(andersen et al,2002)。他们分离了人 hela细胞的核仁，用常用的 蛋白分离技术分离蛋白，并对这些蛋白进行质谱分 析，共鉴定了 271个人核仁蛋白，而其中仅有10% 是原先已知的核仁定位蛋白。同年，scherl et al也对人hela细胞进行了核仁的分离和蛋白质组的分析，鉴定出213个人核仁蛋白(2002)。后者还对这两个 完全没有交流的结果进行了比较，发现133个蛋白是两个研究共有的,134个蛋白是前者所独自报道 的，80个是后者所独自报道的，两者在人hela细胞 中共发现了近350个人核仁蛋

33、白。对所述的核仁蛋 白进行功能分类，结果同预期一致，大多数核仁蛋 白均为核糖体蛋白(15.5%)或者与核糖体生物学发 1994-2013 china academic journal electronic puttlijihing house. ai rights ki555动物学研究33卷生相关的蛋白(23.5%),其他还有一些与核仁形成 相关的蛋白，如纤维蛋白和染色体结构蛋白等 (jung et al, 2000; bergquist et al, 2001)。 2005 年,andersen et al (2005)又在人的核仁中鉴定到更多的 核仁蛋白，从而将人

34、核仁蛋白的数目增加到725个,且建立了人核仁蛋白质组数据库nucleolar proteome database ( nopdb 2.0)。这 725 个人核仁 蛋白中的绝大部分蛋白的功能均已知，它们大部分是核糖体蛋白与rrna加工及修饰相关的蛋白。后 来，lamond的研究小组结合多种质谱分析方法从 人的多种细胞系细胞核仁中鉴定出4 749个人核仁蛋白，并将nopdb2.0升级到nopdb3.0,该库中包 含了 80%的核糖体蛋白，而nopdb2.0中仅包含 28%的核糖体蛋白，因此nopdb3.0中包含了至少 80% 的人核仁蛋白(ahmad et al, 2009)。动、植物核仁结构存在

35、很大差别( shaw et al, 1995),那么动、植物核仁蛋白质组是否也存在显著 差异呢？ 2005年，pendle et al (2005)用蛋白质组学 方法分析了首个植物的核仁蛋白质组。他们用与分 析人核仁蛋白质组相同的方法分析了拟南芥 (arabidopsis thaliana )核仁蛋白质组 ，共鉴定得到 217个核仁蛋白。对这些蛋白进行功能分析并将它 们与人核仁蛋白质组进行比较，结果表明拟南芥核仁蛋白质组与人核仁蛋白质组一样除包括很多核 糖体合成相关蛋白外，还包含诸多其他的蛋白。拟 南芥核仁蛋白质组中存在一些植物特有的核仁蛋 白，同时拟南芥核仁中还存在 6个参与mrna输出 和

36、mrna 监视(mrna surveillance) 的蛋白，而这 些蛋白在人中并不定位于核仁(cust o dio et al,2004)。这些结果均表明了动、植物核仁在结构、成分甚至功能的上差异。啤酒酵母(saccharomyces cerevisiae)是第个 基因组被完全测序的真核生物，它的蛋白功能已研究得较为清楚。结合酵母所有蛋白的高通量绿色荧 光蛋白标记的定位分析和一些酵母蛋白的功能研 究分析表明酵母细胞至少具有209个核仁蛋白(huh et al, 2003)。这些蛋白除很多与核糖体合成 相关的蛋白外还包括诸多参与rna加工的蛋白、调节rrna各方面代谢的蛋白激酶和磷酸化酶以及

37、一些转录因子蛋白等。对以上这些代表物种核仁蛋白质组的分析进 一步表明核仁确实具有除参与核糖体生物合成以 外的蛋白成分，提示核仁可能还具有其他功能，且 不同物种之间核仁的功能可能存在差异。这些对进 一步深入研究核仁的功能具有重要的启示作用。4核仁起源与进化核仁是真核细胞中高度保守的亚核结构，其主要功能是参与核糖体的生物合成。原核细胞中同样 存在核糖体的生物合成过程，但是原核细胞不具有 核仁结构。那么，在原核细胞到真核细胞的进化过 程中，核仁是如何起源与进化的呢？前人的研究采 用了细胞学、生物化学和分子生物学等方法来探讨 核仁的起源与进化问题( li et al, 1997; li, 1999;

38、guo et al, 2005), 然而遗憾的是，这些研究对回答 该问题未能取得突破性的进展。但近些年来快速增 加的基因/蛋白质组数据为研究核仁的起源与进化 提供了新的视角，使得在组学”水平研究核仁的起 源与进化成为可能。staub et al (2004)以271个人核仁蛋白为研究 基础，共确定了 115个功能已知和91个功能未知的 保守的核仁蛋白的结构域，并用它们为queries搜索 原核生物白基因组，结果发现在这206个保守的核 仁蛋白结构域中，59个结构域在生物三界(细菌、 古菌及真核生物)中均存在，25个仅存在于古菌和 真核生物中，13个仅存在于细菌和真核生物中，其余白1 109个为

39、真核生物特有。对这些核仁蛋白结构 域进行功能分析发现：59个三界共享和25个古菌 和真核生物共享的蛋白结构域主要为核糖体蛋白 结构域以及与rna修饰和结合相关的蛋白结构域；13个细菌和真核生物共享的结构域可能是执行相 对较新功能的蛋白结构域；真核生物特有的结构域 是与染色质结构和dna紧密性调节相关的结构域。 基于以上结果，他们提出参与核糖体生物合成这一 主要核仁功能的蛋白起源于古菌，随后在核仁进化的各个阶段，参与各种不同功能的蛋白逐渐被招募 到核仁中，从而逐步形成了核仁结构。因此 ，staub et al (2006)提出了核仁的 嵌合”起源和 渐进式”进 化假说。2006年，他们进一步对酵

40、母中与核仁和核 糖体组分相关的蛋白进行了起源分析，发现与核仁和核糖体组分相关的核心蛋白为古菌来源，它们参与核糖体的成熟与组装过程；极少的蛋白为细菌起源；绝大部分的蛋白均为真核细胞阶段起源。他们 推测，核仁进化自一个古菌来源的核糖体成熟“机 器”，然后通过不断招募一些细菌来源和大部分真 核特有的核仁蛋白而逐渐形成核仁结构。因此 ，通过分析酵母中与核仁和核糖体组分相关蛋白的起 源进一步证实了核仁的嵌合”起源假说。thiry & lafontaine (2005)的一系列研究从核仁 结构进化的角度来探讨了核仁在真核生物中的进 化。他们发现除羊膜动物的核仁具有三个特征性区 域外(三区室)，其他所有真核

41、生物的核仁都只具有 两个特征性区域(二区室)。通过比较分析不同物种 的rdna转录单位和间隔区的长度 ，发现具有 上 区室”核仁的物种中rdna间隔区常常比rdna转 录本的长度短或者近似，而在那些具有 土区室”核 仁的物种中rdna间隔区的长度远比rdna转录本 的长度要长。rdna间隔区长度的增加可能导致核 仁由二区室(dfc和gc)进化为三区室(fc、gc 和dfc)。间隔区长度的增加为新区室的生成提供 了空间位置，从而使得fc和dfc分离，而rdna 基因本身的长度似乎并没有在新区室的形成中起 任何作用。进一步研究发现羊膜动物中仅最原始的 羊膜动物爬行纲龟目的核仁是匕区室”的，而其他羊

42、膜动物的核仁均为土区室”，因此，核仁由上区室”进化为 主区室”的过程正好与羊膜动物在爬行 纲中的出现相吻合(lamaye et al, 2011; thiry et al, 2011),提示核仁结构的进化也是个渐变”的过程。但是，以上研究均以分析高等真核生物中的研 究数据为基础，而没有对处在真核细胞进化关键地 位的单细胞原生生物开展研究。以单细胞原生生物 蓝氏贾第虫为例，过去一直认为它不具有核仁结构 (li et al, 1997; guo et al, 2005; xin et al, 2005), 但近 来的研究发现它也具有核仁结构，只是它的核仁具 有一些不同于高等真核生物核仁的特征：大小

43、仅为 0.20.5 pm,约为一般核仁的1/10;核仁内有 dfc和gc,而没有fc组分；核仁可能存在于整个细胞 周期中(jimenez-garcia et al, 2008),这提示贾第虫 的核仁可能不同于高等真核生物的核仁。之前，本实验室的研究结果表明贾第虫的核糖体合成系统 与高等真核生物相比较为简单(xin et al, 2005)。近期，我们的工作比较分析了与核仁密切相关的5srrna系统，结果发现贾第虫具有简单而又原始的 5s rrna系统(feng et al, 2012)。这些研究均提示 贾第虫核仁与高等真核生物核仁的显著不同。因此,仅基于高等真核生物中的数据而得出的结论可能 不

44、够准确。其次，蛋白结构域(domain)并不能完全 代表蛋白，因此核仁蛋白结构域的起源并不能完全反映核仁蛋白的起源；再者，以单个物种的不完全 的核仁蛋白数据为基础也不能够全面地揭示核仁 起源。5展望尽管目前对核仁的研究取得了较大进展，人们对核仁也有了更为深入的认识，但是关于核仁仍存 在许多未解之谜。首先，在结构方面，是什么组分保证了核仁结 构的完整性，以致于它能够被完整地纯化分离且保 持转录活性？研究数据表明一些核仁蛋白定位于 核仁中并非fc、dfc和gc的亚核仁区域，表明核 仁结构比人们之前认识的更为复杂(politz et al,2002, 2005),那么核仁中还有哪些亚核仁区域？这 些

45、亚核仁区域是否与其新发现的功能有某种对应 关系呢？其次，在功能方面，核仁作为核糖体生物合成 场所这一主要功能已被充分证明，同时不断深入的研究又提示核仁具有一系列其他功能。但从前面可 知，这些新发现功能的主要证据往往是实验显示相 关的功能蛋白有核仁定位，而并未得到很充分的证 明。因此这方面的研究应该成为今后较长一段时间 内核仁功能研究领域的重点。核仁为什么要参与诸 多与核糖体生物合成无关的功能呢？已有的核仁 蛋白质组数据比较分析结果提示高等动、植物核仁 之间既具有一些共同的又各自存在一些特有的这 类功能。单细胞原生生物贾第虫核仁与高等真核生 物核仁有着显著差异，前者成分要少得多、结构也 相对简单

46、，那么这样的原生生物核仁是否也具有多 种功能呢？是否代表核彳!进化的早期阶段，从而通过对它们的研究可揭示这些新发现的功能是如何 逐渐进化形成的呢？最后，关于核仁起源与进化，尽管已有一些探 索性的研究，但目前仍是一个未解难题。现在随着 基因和蛋白质等组学数据的迅速积累，对这一问题的探讨出现了前所未有的机遇。目前虽然已经有了 三类高等真核生物的核仁蛋白质组数据库，可是处于从原核生物向多细胞真核生物进化的过渡”阶段的单细胞原生生物核仁蛋白质组数据却仍阙如。本 实验室正致力于建立此类数据库。通过不同进化地 位生物的核仁基因/蛋白质组的比较分析 ，势必对 揭示核仁起源进化具有重要意义。1 (4-2013

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