第五节 核仁与核体

核仁( (nucleolus))是真核细胞间期核中最显著的结构。在光镜下被染色的细胞、相差显微镜下的活细胞或分离细胞的细胞核都容易看到核仁，它们通常表现为单或多个匀质的球形小体。核仁的大小、形状和数目随生物的种类、细胞类型和细胞代谢状态不同而变化。蛋白质合成旺盛、活跃生长的细胞(如分泌细胞、卵母细胞)的核仁大，可占总核体积的25%；不具蛋白质合成能力的细胞如肌细胞、休眠的植物细胞，其核仁很小。在细胞周期过程中，核仁又是一个高度动态的结构，在有丝分裂期间表现出周期性的消失与重建。

真核细胞的核仁具有重要功能，它是rRNA合成加工和核糖体亚基的组装场所。

一、核仁的结构

电镜下核仁的超微结构与胞质中的大多数细胞器不同，它没有被膜包裹。尽管核仁的大小、形态和超微结构明显地随所研究的细胞类型和细胞的代谢状态不同而变化，但三种基本的核仁结构组分仍可通过超薄切片的电镜观察加以识别(图9-29)。

(一)纤维中心

在电镜下观察，纤维中心( fibrillar center，FC)是包埋在颗粒组分内部一个或几个浅染的低电子密度的圆形结构。电镜细胞化学和放射自显影研究已经确证，在纤维中心存在rDNA、RNA聚合酶和结合的转录因子，并且光镜及电镜水平的原位分子杂交也证明了这种DNA具有rRNA基因(rDNA)的性质。根据形态相似性和嗜银蛋白的存在，通常认为FC代表染色体NOR在间期核的副本。然而由于核仁活性的变化，FC的数目可能超过染色体NOR的数目；并且有证据表明，FC中的染色质不形成核小体结构，也没有组蛋白存在，但存在嗜银蛋白。其中磷蛋白C23的存在已得到免疫电镜的证明，并认为它是和rDNA结合在一起的，可能与核仁中染色质结构的调节有关。

(二)致密纤维组分

在电镜下观察，致密纤维组分( dense fibrillar component，fC)是核仁超微结构中电子密度最高的部分，呈环形或半月形包围FC，由致密的纤维构成，通常见不到颗粒。用H作为RNA前体物对细胞进行脉冲标记，根据电镜放射自显影观察，带放射性标记的第一个核仁结构就是DFC。电镜原位分子杂交也证明RNA以很高的密度出现在DFC区域。此外，研究还发现DFC有特异性结合蛋白，其中比较清楚的是核仁纤维蛋白( ( fibrillarin)、核仁蛋白( (nucleolin)和核仁组成区嗜银蛋白。

(三)颗粒组分

在代谢活跃的细胞的核仁中，颗粒组分( ( granular component， GC)是核仁的主要结构。它由直径15~20nm的RNP构成，可被蛋白酶和 RNase消化。这些颗粒是正在加工、成熟的核糖体亚基前体颗粒。间期核中核仁的大小差异主要是由颗粒组分数量的差异造成的。

除上述三种基本核仁组分外，在观察电镜超薄切片时会发现，核仁虽然没有膜包裹，但被或多或少的染色质所包围，这层染色质称为核仁相随染色质( ( nucleolar associated chromatin)；有时还深入到核仁内，称为核仁内染色质( ( intranucleolar chromatin))；而包围核仁的染色质称为核仁周边染色质( perinucleolar chromatin)。此外，应用 RNase和 DNase处理核仁，在电镜下看到核仁的残余结构，称为核仁基质( nucleolar matrix)或核仁骨架。FCDFC和GC三种组分都淹没在这种无定形的核仁基质中。

现有研究资料普遍认为，上述三种基本核仁组分以某种方式和rRNA的转录与加工形成RNP的不同事件有关。比较一致的看法认为，FC是rRNA基因的储存位点，转录主要发生在FC与DFC的交界处。初始rRNA转录本首先出现在DFC并在那里加工，某些加工步骤也发生在GC区，并负责将rRNA与核糖体蛋白组装成核糖体亚基，所以GC代表核糖体亚基成熟和储存的位点。目前，关于rRNA基因转录的确切位点仍有不同见解。

二、核仁的功能

核仁的主要功能与核糖体的生物发生( ( ribosome biogenesis))相关。这是一个向量过程( vectorial process))，从核仁纤维组分开始，再向颗粒组分延续。这一过程包括rRNA的合成、加工和核糖体亚基的组装。

除此之外，核仁的另一个功能涉及mRNA的输出与降解。最初的观察发现，哺乳类细胞通过紫外线照射灭活核仁，可阻止非核糖体RNA的输出。虽然在高等真核细胞大量poly(A)NA并不定位于核仁，但是一些特殊的mRNA(如MyoD、N-Myc的转录本)已在核仁中检测到。在酵母中也发现，Mtr-和Mtr2-1基因突变或重度热休克( severe heat shock)会干扰mRNA的运输，导致poly(A)RNA在核仁中的积累。

三、核仁的动态周期变化

在细胞周期中，核仁是一种高度动态的结构，在形态和功能上都发生很大的变化。当细胞进入有丝分裂时，核仁首先变形和变小，然后随着染色质凝集，核仁消失，所有rRNA合成停止，致使在中期和后期细胞中没有核仁；在有丝分裂末期，rRNA合成重新开始，核仁的重建随着核仁物质聚集成为分散的前核仁体( prenucleolar body，PNB)而开始，然后在NOR周围融合成正在发育的核仁。

在细胞周期中核仁周期( nucleolar cycle)变化的分子过程还不十分清楚。但研究表明，核仁的动态变化是rDNA转录和细胞周期依赖性的。在细胞周期的间期，核仁结构完整性( structure integrity)的维持，以及有丝分裂后核仁结构的重新建成，都需要rRNA基因的活性。用带有荧光标记的RNA聚合酶I抗体显微注射到体外培养的PtK2细胞核中，rRNA基因的转录被选择性抑制。通过双标记免疫荧光显微术( ( double labeling immunofluorescence microscopy )和电镜观察发现，注射RNA聚合酶I抗体后，DFC很快开始去整合并导致核仁解体，核质内充满大量核仁外体( (extra nucleolarbody)，用核仁纤维蛋白抗体染色证明，这些核仁外体具有DFC性质，残余的核仁失去DFC，主要由FC和GC组成。由此可见，DFC在核仁中的定位与整合，关键依赖于正在转录的rRNA基因。

采用上述相同的方法，将RNA聚合酶I抗体注射到有丝分裂中期的细胞内。被注射的细胞虽然能继续完成分裂并且子细胞按正常周期运转进入G1期，但它们却不能重建核仁，而是在核中充满许多PNB。PNB含有核仁纤维蛋白及其他核仁蛋白，但没有RNA聚合酶I和拓扑异构酶I，也没有rDNA。结果表明，预先形成的PNB围绕染色体NOR重建核仁，同样需要RNA聚合酶I的活性形式，rRNA基因转录的抑制是阻止核仁重建的早期步骤。

四、核体

虽然核仁是细胞核里最显著的结构，但细胞核内也存在其他一些核体(  nuclear body )结构。这些结构包括：卡哈尔体( Cajal body)、Gems( Gemini of coiledbody)以及染色质间颗粒( ( interchromatin granule cluster， nuclear speckle)。与核仁一样，这些亚核结构没有膜的包被，并且是高度动态变化的。它们的出现可能是蛋白质和RNA组分(或许也有DNA)相互作用的结果。这些组分与在基因表达过程中发挥作用的生物大分子的合成、组装和储存相关。卡哈尔体和GEMS非常相似，它们常常在核内成对出现，其实人们并不清楚它们的结构是否真正不同。它们可能是 SnRNA和 I SnORNA最后加工及与蛋白质组装的场所。组成 SnRNP的RNA和蛋白质都是首先在细胞质中部分组装，然后转运到细胞核中进行最后的加工。卡哈尔体/GEMS被认为也是 SnRNP循环利用的场所。相反，染色质间颗粒被认为是成熟的、可直接用于 pre-mRNA剪接的 I SnRNP的储存地点。

研究这些亚核结构的功能一直存在许多困难。然而，最新的研究表明：卡哈尔体与端粒酶复合物 telomerase holoenzyme)有着直接的关系。端粒酶是维持祖细胞和癌细胞端粒长度的关键因子。端粒的长短直接与细胞及机体的寿命相关。E.. Blackburn、C.w. Greider和w. Szostak因在端粒酶的发现及相关功能方面的研究获得了2009年的诺贝尔生理学或医学奖。 TCABI( ( telomerase Cajal body protein1)被发现是端粒酶复合体的成分之一。它参与端粒的维持，同时它也是卡哈尔体的成分之一，参与RNA的剪切修饰过程。用RNA干扰的方法去除TCAB1的功能，卡哈尔体就不能与TerC( (telomerase RNA component)相结合，端粒酶也就不能维持端粒的长度通过遗传学的手段(包括基因剔除鼠和人类自发突变)，科学家发现GEMS包含SM( survival of motor neuron)蛋白。该蛋白编码基因的突变导致可遗传的脊柱肌肉萎缩症( spinal muscular atrophy)。这一疾病的病因可能是由于 SnRNP组装的细微缺陷而引起的pre-mRNA剪接缺陷。