细胞生物学/核仁

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核仁是真核细胞间期核中出现的结构，在细胞分裂期表现出周期性的消失和重建。核仁的形状、大小、数目依生物的种类、细胞的形状和生理状态而异。每个细胞核一般有1～2个核仁，但也有多个的。蛋白质合成旺盛、生长活跃的细胞，如分泌细胞、卵母细胞中的核仁较大，其体积可达细胞核的25%; 蛋白质合成不活跃的细胞，如精子和肌细胞，休眠的植物细胞其核仁不明显。核仁主要是rRNA合成、加工和核糖体亚基的装配场所。

核仁的主要成分

研究表明核仁含有三种主要成分：蛋白质、RNA和DNA。但这三种成分的含量依细胞类型和生理状态而异。
从离体核仁的分析得知，核仁的蛋白质占核仁干重的80%左右，包括核糖体蛋白、组蛋白、非组蛋白等多种蛋白质。核仁中存在许多参与核仁生理功能的酶类，例如碱性磷酸酶、核苷酸酶、ATP酶、RNA聚合酶、RNA酶、DNA酶和DNA聚合酶等。
核仁中的RNA含量大约占核仁干重的10%，变动范围在3%～13%。RNA转录及蛋白质合成旺盛的细胞，其核仁中的RNA含量高。核仁的RNA常与蛋白质结合成核糖核蛋白。核仁中含有约8%的DNA，主要是存在于核仁染色质(nucleolar chromatin)中的DNA。核仁还含有微量脂类。含水量较核内其他组分少。

核仁的结构

光镜下，核仁通常是匀质的球体，具有较强的折光性，容易被某些碱性或酸性染料着色。电镜下，核仁是裸露无膜的纤维网状结构。核仁的超微结构包括3个不完全分隔的部分，即纤维中心(fibrillar center ,FC)、致密纤维组分(dense fibrillar component, DFC)、颗粒组分(granular component, GC)。

核仁的纤维中心是分布有rRNA基因的染色质区

电镜下核仁结构的纤维中心由直径10nm的纤维组成，位于核仁中央部位的浅染低电子密度区，包埋在颗粒组分的内部，是rRNA基因rDNA的存在部位。rDNA实际上是从染色体上伸展出的DNA袢环，袢环上的rRNA基因成串排列，通过转录产生rRNA，组织形成核仁，因此称为核仁组织者(nuclear organizer)。rRNA基因通常分布在几条不同的染色体上，人类细胞的rRNA基因分布于第13、14、15、21和22号5对染色体的次缢痕部位，因此，在人类二倍体的细胞中，就有10条染色体上分布有rRNA基因，他们共同构成的区域称为核仁组织区（图8-19) ,含有核仁组织区的染色体称为核仁组织染色体(nucleolar organizing chromosome)。

核仁的致密纤维组分包含处于不同转录阶段的rRNA分子

核仁结构的致密纤维组分位于核仁浅染区周阶的高电子密度区，染色深，呈环型或半月型分布。电镜下可见该区域由紧密排列的细纤维丝组成，直径一般为4～lOnm, 长度约20～40nm, 主要含有正在转录的rRNA分子，核糖体蛋白及某些特异性的RNA 结合蛋白，构成核仁的海绵状网架。用RNA酶及蛋白酶可将该区域的纤维丝消化。

核仁的颗粒组分由正在加工的rRNA及蛋白质构成

核仁结构的颗粒组分是电子密度较大的颗粒，直径为15～20nm, 密布于纤维骨架之间，或围绕在纤维组分的外侧。该区域是rRNA基因转录产物进一步加工、成熟的部位。颗粒组分主要由rRNA和蛋白质组成的核糖核蛋白颗粒，为处于不同加工及成熟阶段的核糖体亚基前体。
上述三种组分存在于核仁基质中。核仁基质为核仁区一些无定形的蛋白质性液体物质，电子密度低。因核仁基质与核基质互相连通，所以有人认为核仁基质与核基质是同一物质。

核仁的功能

核仁是rRNA合成、加工和装配核糖体亚基的重要场所，除5S rRNA外，真核生物的所有rRNA都在核仁内合成。在RNA聚合酶等多种酶的参与下，核仁中的rDNA开始转录rRNA, 初级产物是纤维状，而后是颗粒状，最后完全成熟形成核糖体亚基，由核仁转运至细胞质。

核仁是rRNA基因转录和加工的场所

真核生物中的18S、5.8S和28S rRNA基因组成一个转录单位，在核仁组织区呈串状重复排列。已知在所有的细胞中均含有多拷贝编码rRNA的基因。
根据对两栖类卵母细胞和其他细胞中具有转录活性的rRNA基因的电镜观察，发现它们都有共同的形态特征，即核仁的核心部分由长的DNA纤维组成，新生的RNA链从DNA长轴两侧垂直伸展出来，而且是从一端到另一端有规律地增长，构成箭头状，似圣诞树(Christmas tree)的结构外形。沿DNA长纤维有一系列重复的箭头状结构单位。每个结构单位中的DNA纤维是一个rRNA的基因，因而每个箭头状结构代表一个rRNA基因转录单位。在两个箭头状的结构之间存在着不被转录的间隔DNA。不同生物的间隔DNA片段长度不同，人的间隔片段长约30OOObp。
在RNA聚合酶Ⅰ的作用下，rRNA基因进行转录，形成45S rRNA分子。从45S rRNA剪切为18S、5.8S和28S三种rRNA,是一个多步骤、复杂加工的过程。通过³H标记尿嘧啶和放线菌素D研究HeLa细胞前rRNA合成时发现：当HeLa细胞同³H标记尿嘧啶共培养25分钟后，被标记的rRNA的沉降系数是45S,加入放线菌素D阻断RNA的合成后，标记的45S rRNA首先转变成32S rRNA, 随着培养时间的延长，逐渐出现被标记的28S、18S的rRNA。根据这一研究结果推测rRNA的加工过程为：45S rRNA裂解为41S、32S、20S等中间产物。20S很快裂解为18S rRNA，32S进一步剪切为28S和5.8S rRNA。
虽然所有真核生物的18S、5.8S和28S rRNA基因是相同的，并且在染色体上组成同一个转录单位，但是不同生物中的18S、5.8S和28S rRNA基因的转录起点和间隔区的长短并不完全相同。
真核细胞核糖体中5S rRNA(含有120个核苷酸）基因不定位在核仁组织区，如人类的5S rRNA基因定位在1号染色体上，也呈串联重复排列，中间同样有不被转录的间隔区域，5SrRNA是由RNA聚合酶Ⅲ所转录的，转录后被运至核仁中，参与核糖体大亚基的装配。

核仁是核糖体亚基装配的场所

核糖体大、小亚基的组装是在核仁内进行的。45S rRNA前体转录出来以后，很快 与进入核仁的蛋白质结合，组成80S 的核糖核蛋白颗粒。以核糖核蛋白方式进行加工，即一边转录一边进行核糖体亚基的组装。根据对带有放射性标记的核仁组分的分析，发现大部分核糖体蛋白质参与了45S rRNA的包装，在加工过程中，80S 的大核糖核蛋白颗粒逐渐失去一些RNA和蛋白质，然后剪切形成两种大小不同的核糖体亚基。由28S rRNA、5.8S rRNA、5S rRNA与蛋白质一起装配成核糖体 的大亚基，其沉降系数为60S。18S rRNA与蛋白质共同构成核糖体的小亚基，其沉降系数为40S。大、小亚基形成后，经过核孔进入细胞质，进一步装配为成熟的核糖体。
通过放射性脉冲标记和示踪实验表明，在30分钟内，核糖体小亚基在核仁中首先成熟，并很快通过核孔进入细胞质中，而核糖体大亚基的组装约需l小时左右，所以核仁中核糖体的大亚基比小亚基多。加工下来的蛋白质和小的RNA分子存留在核仁中，可能起着催化核糖体构建的作用。
一般认为，核糖体的成熟作用只发生在其亚基被转移到细胞质以后，这样有利于阻止有功能的核糖体与细胞核内加工不完全的hnRNA分子结合，避免mRNA前体提前在核内进行翻译，这一特点对保证真核细胞的转录、翻译控制在不同时空中进行有重要的意义。

核仁周期

核仁随细胞的周期性变化而变化，在细胞分裂前期消失，分裂末期又重新出现。这种周期性变化与核仁组织区的活动有关e 在有丝分裂前期，染色质凝集，伸入到核仁组织区的rDNA拌环缠绕、回缩到相应的染色体次缢痕处，rRNA合成停止，核仁的各种结构成分分散于核基质中，核仁逐渐缩小，最后消失。所以在分裂中期和后期的细胞中见不到核仁。当细胞进入分裂末期时，已到达细胞两极的染色体逐渐解旋成染色质，核仁组织区的rDNA拌环呈伸展状态，并开始重新合成rRNA, 核仁的纤维组分和颗粒组分开始生成，核仁又重新出现。在核仁的周期性变化中，rRNA基因的活性表达是核仁重建的必要条件，而原有的核仁组分可能起一定的协助作用。