細胞生物學/核仁

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核仁是真核細胞間期核中出現的結構，在細胞分裂期表現出周期性的消失和重建。核仁的形狀、大小、數目依生物的種類、細胞的形狀和生理狀態而異。每個細胞核一般有1～2個核仁，但也有多個的。蛋白質合成旺盛、生長活躍的細胞，如分泌細胞、卵母細胞中的核仁較大，其體積可達細胞核的25%; 蛋白質合成不活躍的細胞，如精子和肌細胞，休眠的植物細胞其核仁不明顯。核仁主要是rRNA合成、加工和核糖體亞基的裝配場所。

核仁的主要成分

研究表明核仁含有三種主要成分：蛋白質、RNA和DNA。但這三種成分的含量依細胞類型和生理狀態而異。
從離體核仁的分析得知，核仁的蛋白質占核仁乾重的80%左右，包括核糖體蛋白、組蛋白、非組蛋白等多種蛋白質。核仁中存在許多參與核仁生理功能的酶類，例如鹼性磷酸酶、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含量大約佔核仁乾重的10%，變動範圍在3%～13%。RNA轉錄及蛋白質合成旺盛的細胞，其核仁中的RNA含量高。核仁的RNA常與蛋白質結合成核糖核蛋白。核仁中含有約8%的DNA，主要是存在於核仁染色質(nucleolar chromatin)中的DNA。核仁還含有微量脂類。含水量較核內其他組分少。

核仁的結構

光鏡下，核仁通常是勻質的球體，具有較強的折光性，容易被某些鹼性或酸性染料着色。電鏡下，核仁是裸露無膜的纖維網狀結構。核仁的超微結構包括3個不完全分隔的部分，即纖維中心(fibrillar center ,FC)、緻密纖維組分(dense fibrillar component, DFC)、顆粒組分(granular component, GC)。

核仁的纖維中心是分佈有rRNA基因的染色質區

電鏡下核仁結構的纖維中心由直徑10nm的纖維組成，位於核仁中央部位的淺染低電子密度區，包埋在顆粒組分的內部，是rRNA基因rDNA的存在部位。rDNA實際上是從染色體上伸展出的DNA袢環，袢環上的rRNA基因成串排列，通過轉錄產生rRNA，組織形成核仁，因此稱為核仁組織者(nuclear organizer)。rRNA基因通常分佈在幾條不同的染色體上，人類細胞的rRNA基因分佈於第13、14、15、21和22號5對染色體的次縊痕部位，因此，在人類二倍體的細胞中，就有10條染色體上分佈有rRNA基因，他們共同構成的區域稱為核仁組織區（圖8-19) ,含有核仁組織區的染色體稱為核仁組織染色體(nucleolar organizing chromosome)。

核仁的緻密纖維組分包含處於不同轉錄階段的rRNA分子

核仁結構的緻密纖維組分位於核仁淺染區周階的高電子密度區，染色深，呈環型或半月型分佈。電鏡下可見該區域由緊密排列的細纖維絲組成，直徑一般為4～lOnm, 長度約20～40nm, 主要含有正在轉錄的rRNA分子，核糖體蛋白及某些特異性的RNA 結合蛋白，構成核仁的海綿狀網架。用RNA酶及蛋白酶可將該區域的纖維絲消化。

核仁的顆粒組分由正在加工的rRNA及蛋白質構成

核仁結構的顆粒組分是電子密度較大的顆粒，直徑為15～20nm, 密佈於纖維骨架之間，或圍繞在纖維組分的外側。該區域是rRNA基因轉錄產物進一步加工、成熟的部位。顆粒組分主要由rRNA和蛋白質組成的核糖核蛋白顆粒，為處於不同加工及成熟階段的核糖體亞基前體。
上述三種組分存在於核仁基質中。核仁基質為核仁區一些無定形的蛋白質性液體物質，電子密度低。因核仁基質與核基質互相連通，所以有人認為核仁基質與核基質是同一物質。

核仁的功能

核仁是rRNA合成、加工和裝配核糖體亞基的重要場所，除5S rRNA外，真核生物的所有rRNA都在核仁內合成。在RNA聚合酶等多種酶的參與下，核仁中的rDNA開始轉錄rRNA, 初級產物是纖維狀，而後是顆粒狀，最後完全成熟形成核糖體亞基，由核仁轉運至細胞質。

核仁是rRNA基因轉錄和加工的場所

真核生物中的18S、5.8S和28S rRNA基因組成一個轉錄單位，在核仁組織區呈串狀重複排列。已知在所有的細胞中均含有多拷貝編碼rRNA的基因。
根據對兩棲類卵母細胞和其他細胞中具有轉錄活性的rRNA基因的電鏡觀察，發現它們都有共同的形態特徵，即核仁的核心部分由長的DNA纖維組成，新生的RNA鏈從DNA長軸兩側垂直伸展出來，而且是從一端到另一端有規律地增長，構成箭頭狀，似聖誕樹(Christmas tree)的結構外形。沿DNA長纖維有一系列重複的箭頭狀結構單位。每個結構單位中的DNA纖維是一個rRNA的基因，因而每個箭頭狀結構代表一個rRNA基因轉錄單位。在兩個箭頭狀的結構之間存在着不被轉錄的間隔DNA。不同生物的間隔DNA片段長度不同，人的間隔片段長約30OOObp。
在RNA聚合酶Ⅰ的作用下，rRNA基因進行轉錄，形成45S rRNA分子。從45S rRNA剪切為18S、5.8S和28S三種rRNA,是一個多步驟、複雜加工的過程。通過³H標記尿嘧啶和放線菌素D研究HeLa細胞前rRNA合成時發現：當HeLa細胞同³H標記尿嘧啶共培養25分鐘後，被標記的rRNA的沉降系數是45S,加入放線菌素D阻斷RNA的合成後，標記的45S rRNA首先轉變成32S rRNA, 隨着培養時間的延長，逐漸出現被標記的28S、18S的rRNA。根據這一研究結果推測rRNA的加工過程為：45S rRNA裂解為41S、32S、20S等中間產物。20S很快裂解為18S rRNA，32S進一步剪切為28S和5.8S rRNA。
雖然所有真核生物的18S、5.8S和28S rRNA基因是相同的，並且在染色體上組成同一個轉錄單位，但是不同生物中的18S、5.8S和28S rRNA基因的轉錄起點和間隔區的長短並不完全相同。
真核細胞核糖體中5S rRNA(含有120個核苷酸）基因不定位在核仁組織區，如人類的5S rRNA基因定位在1號染色體上，也呈串聯重複排列，中間同樣有不被轉錄的間隔區域，5SrRNA是由RNA聚合酶Ⅲ所轉錄的，轉錄後被運至核仁中，參與核糖體大亞基的裝配。

核仁是核糖體亞基裝配的場所

核糖體大、小亞基的組裝是在核仁內進行的。45S rRNA前體轉錄出來以後，很快 與進入核仁的蛋白質結合，組成80S 的核糖核蛋白顆粒。以核糖核蛋白方式進行加工，即一邊轉錄一邊進行核糖體亞基的組裝。根據對帶有放射性標記的核仁組分的分析，發現大部分核糖體蛋白質參與了45S rRNA的包裝，在加工過程中，80S 的大核糖核蛋白顆粒逐漸失去一些RNA和蛋白質，然後剪切形成兩種大小不同的核糖體亞基。由28S rRNA、5.8S rRNA、5S rRNA與蛋白質一起裝配成核糖體 的大亞基，其沉降系數為60S。18S rRNA與蛋白質共同構成核糖體的小亞基，其沉降系數為40S。大、小亞基形成後，經過核孔進入細胞質，進一步裝配為成熟的核糖體。
通過放射性脈衝標記和示蹤實驗表明，在30分鐘內，核糖體小亞基在核仁中首先成熟，並很快通過核孔進入細胞質中，而核糖體大亞基的組裝約需l小時左右，所以核仁中核糖體的大亞基比小亞基多。加工下來的蛋白質和小的RNA分子存留在核仁中，可能起着催化核糖體構建的作用。
一般認為，核糖體的成熟作用只發生在其亞基被轉移到細胞質以後，這樣有利於阻止有功能的核糖體與細胞核內加工不完全的hnRNA分子結合，避免mRNA前體提前在核內進行翻譯，這一特點對保證真核細胞的轉錄、翻譯控制在不同時空中進行有重要的意義。

核仁周期

核仁隨細胞的周期性變化而變化，在細胞分裂前期消失，分裂末期又重新出現。這種周期性變化與核仁組織區的活動有關e 在有絲分裂前期，染色質凝集，伸入到核仁組織區的rDNA拌環纏繞、回縮到相應的染色體次縊痕處，rRNA合成停止，核仁的各種結構成分分散於核基質中，核仁逐漸縮小，最後消失。所以在分裂中期和後期的細胞中見不到核仁。當細胞進入分裂末期時，已到達細胞兩極的染色體逐漸解旋成染色質，核仁組織區的rDNA拌環呈伸展狀態，並開始重新合成rRNA, 核仁的纖維組分和顆粒組分開始生成，核仁又重新出現。在核仁的周期性變化中，rRNA基因的活性表達是核仁重建的必要條件，而原有的核仁組分可能起一定的協助作用。