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Dev Cell | 光寿红/陈向阳/冯雪竹利用核周蛋白荧光成像揭示生殖颗粒多区室化结构

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-01-01 09:08

正文

真核细胞的细胞器大都通过膜结构与周围环境隔开，从而形成独立的区室，维持不同生化反应之间的独立性。与此相对，细胞中还存在另一类无细胞膜包被的结构，即无膜细胞器 (Membraneless Organelles, MLOs)，也被称为生物分子凝聚体 (biomolecular condensates)。虽然这些生物分子凝聚体没有被膜状结构包裹，但是它们能够稳定存在，并且可以和细胞内的物质进行快速交流。真核细胞中常见的无膜细胞器包括核仁、P小体、Cajal小体、神经颗粒、应激颗粒 (stress granule) 以及生殖颗粒 (germ granule) 等。其中，生殖颗粒是目前研究者广泛关注的一种无膜细胞器，其定位在生殖细胞的核外周，富含RNA和许多参与RNA代谢的蛋白，是生殖细胞基因表达调控的枢纽，也是研究者探究无膜细胞器生成、调控与功能的重要研究对象。

细胞中特定的无膜细胞器可以包含多个不混溶亚区室，形成多区室结构。这种多区室结构有助于无膜细胞器中各种RNP复合体的连续RNA加工反应。例如，核仁从内到外依次分布着纤维中心（FC）、致密纤维成分（DFC）、致密纤维成分外围（PDFC）和颗粒成分（GC）四个亚区室。核仁在空间上的多区室结构有助于核糖体RNA的连续加工。随着高分辨率荧光显微成像技术的使用，越来越多的无膜细胞器被发现有着多区室结构，如核散斑体 (Nuclear Speckles)、核旁斑 (paraspeckles)、应激颗粒和生殖颗粒等。目前已知秀丽线虫生殖颗粒由6个亚区室组成，包括P颗粒、Z颗粒、Mutator颗粒、SIMR颗粒、P小体和E颗粒。这些颗粒在空间上彼此靠近，有序组装形成大的生殖颗粒。在线虫生殖细胞中，有超过90个蛋白定位在核周，并富集在生殖颗粒中。这些蛋白在线虫的生殖发育过程中扮演了重要的角色。然而，这些蛋白在生殖颗粒内的精确定位大都尚不清楚，而且线虫生殖颗粒完整的区室化结构也尚不明确。

2024年12月31日，中国科学技术大学生命科学与医学部光寿红/陈向阳课题组，安徽医科大学冯雪竹课题组与北京生命科学研究所董梦秋课题组合作在Developmental Cell杂志上发表了题为Compartmentalized localization of perinuclear proteins within germ granules in C. elegans 的文章。该研究通过对众多核周定位蛋白进行荧光成像观察，解析了核周蛋白在生殖颗粒中精确的亚区室定位，并鉴定出一个新的生殖颗粒区室：D颗粒(D granule)。

在本研究中, 通过使用CRISPR/Cas9技术，课题组系统性地对核周定位蛋白进行了荧光蛋白标记。随后，课题组重新探索了这些蛋白质的核周定位，并纠正和补充了先前研究中一些模糊和缺失的注释。通过荧光成像，课题组发现参与不同piRNA加工步骤的蛋白质各自富集在特定的生殖颗粒区室中。同时，该研究鉴定出了一个与已知的6个区室皆不共定位的蛋白：DDX-19，并将其命名为D颗粒。此外，课题组还发现生殖颗粒多区室结构的建立依赖于LOTUS结构域蛋白。(Note: E颗粒也由光寿红 / 陈向阳 / 冯雪竹课题组今年5月发现并报导，Nature Communications 2024)。