王源

核仁在高中生物教學(xué)中多次涉及，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些疑問(wèn)，比如：核仁結(jié)構(gòu)究竟如何？核仁功能與rRNA合成有關(guān)，RNA由DNA轉(zhuǎn)錄，核仁跟DNA什么關(guān)系？細(xì)胞分裂時(shí)，核仁為何會(huì)周期性的消失和重現(xiàn)？這些不僅是學(xué)生的疑問(wèn)，甚至多數(shù)生物教師也不甚了解。筆者在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，解釋了這些疑問(wèn)，能更好地幫助學(xué)生掌握核仁相關(guān)知識(shí)。 1 核仁的概述 在光學(xué)顯微鏡下，染過(guò)色的細(xì)胞內(nèi)或者相差顯微鏡下的活細(xì)胞中或者分離細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)，都容易看到核仁，它通常是單一的或者多個(gè)勻質(zhì)的球形小體，呈圓球形或橢球形的顆粒狀結(jié)構(gòu)，沒(méi)有外膜。核仁的大小、形狀隨生物的種類(lèi)、細(xì)胞類(lèi)型和細(xì)胞代謝狀態(tài)不同有很大差別。蛋白質(zhì)合成旺盛、活躍生長(zhǎng)的細(xì)胞,如分泌細(xì)胞、卵母細(xì)胞的核仁大，可占總核體積25%；不具蛋白質(zhì)合成能力的細(xì)胞，如肌肉細(xì)胞、休眠的植物細(xì)胞，其核仁很小。各種生物的核仁數(shù)目一般是一定的，如非洲爪蛙有2個(gè)核仁，人類(lèi)的細(xì)胞只有一個(gè)核仁。核仁參與核糖體核糖核酸(rRNA)的合成和核糖體的形成，因此常被稱(chēng)為“核糖體工廠”。核仁所含蛋白質(zhì)約占干重的80%，如核糖體蛋白、組蛋白、非組蛋白及多種酶類(lèi)；RNA約占其干重的10%，與蛋白質(zhì)相結(jié)合形成核糖核蛋白(RNP)；此外還含有少量DNA。 2 核仁的超微結(jié)構(gòu) 電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，核仁的超微結(jié)構(gòu)與細(xì)胞質(zhì)中其他的細(xì)胞器不同，周?chē)鷽](méi)有界膜包圍，可辨認(rèn)出有3個(gè)特征性的區(qū)域：纖維中心(FC)、致密纖維組分(DFC)和顆粒成分(GC)。纖維中心(FC)是被致密纖維組分不同程度包圍著的一些低電子密度區(qū)，其主要成分為RNA聚合酶Ⅰ和rDNA。致密纖維組分(DFC)為核仁中電子密度最高的區(qū)域，由致密的纖維組成。根據(jù)電鏡原位雜交證明，DFC是rDNA活躍轉(zhuǎn)錄rRNA的區(qū)域，含有一些特異性RNA結(jié)合蛋白，如核仁纖維蛋白和核仁素等。顆粒組分(GC)是由2～3 nm的rRNA細(xì)絲與蛋白質(zhì)結(jié)合形成的15～20 nmRNA核糖核蛋白體，通常位于核仁周邊部分。除上述三種基本組分外，核仁區(qū)周緣被或多或少的染色質(zhì)所包圍，這層染色質(zhì)稱(chēng)為核仁相隨染色質(zhì)，核仁相隨染色質(zhì)為一些不活躍的異染色質(zhì)和常染色質(zhì)，其中包圍在核仁周?chē)娜旧|(zhì)，高度螺旋，屬異染色質(zhì)；伸入核仁內(nèi)的染色質(zhì)，處于非螺旋狀態(tài)，屬常染色質(zhì)，載有rRNA基因（rDNA），此段DNA稱(chēng)核仁組織區(qū)（NOR），它是形成核仁的部位。 3 核仁的發(fā)生 核仁是核仁組織區(qū)（NOR）中的基因活動(dòng)而形成的可見(jiàn)的球體結(jié)構(gòu)。核仁組織區(qū)參與形成核仁的染色體區(qū)并形成核仁的一部分，具有NOR的染色體稱(chēng)為核仁染色體。核仁組織區(qū)多定位在核仁染色體次縊痕處，含有rRNA基因的一段染色體區(qū)域，與核糖體的形成有關(guān)。核仁組織區(qū)的染色體數(shù)目依不同細(xì)胞種類(lèi)而異，許多動(dòng)植物細(xì)胞只有一對(duì)這樣的染色體，稱(chēng)為隨體染色體。但也有不少種類(lèi)的細(xì)胞有幾對(duì)，甚至許多對(duì)這樣的染色體參與核仁形成。人類(lèi)的rRNA基因分別位于第13號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、21號(hào)、22號(hào)5對(duì)染色體上，這10條含有rRNA基因的區(qū)段以袢環(huán)的形式集結(jié)在核仁中（圖1），每一個(gè)袢環(huán)上成串排列的rRNA基因就叫做一個(gè)核仁組織區(qū)，即專(zhuān)門(mén)為合成rRNA提供模板的rDNA。這些袢環(huán)上含有核糖體核糖核酸（rRNA）的基因。在所有真核生物的細(xì)胞中，這種基因約有50～1 000個(gè)相同拷貝，因而得以維持適當(dāng)數(shù)量的rRNA的合成。牛的雙倍體基因組有10個(gè)NOR，分別位于2、3、4、11和28號(hào)染色體的端粒區(qū)。rDNA的活躍轉(zhuǎn)錄導(dǎo)致核仁在NOR附近產(chǎn)生，實(shí)際上，核仁可被視為這些染色體的延伸。核仁形成后常發(fā)生融合現(xiàn)象，所以雖存在多對(duì)染色體，但常見(jiàn)間期細(xì)胞中僅有1～2個(gè)核仁，人二倍體間期細(xì)胞中含一個(gè)大的核仁。 4 核仁的功能 4.1 合成、加工rRNA和裝配核糖體亞基的重要場(chǎng)所 4.1.1 rRNA基因的轉(zhuǎn)錄 rRNA基因定位在核仁組織區(qū)，該區(qū)域的基因編碼28 S、18 S和5.8 S rRNA，這三個(gè)基因組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位。rRNA基因在染色質(zhì)軸絲上呈串聯(lián)重復(fù)排列（中度重復(fù)順序）；沿轉(zhuǎn)錄方向，新生rRNA鏈從DNA長(zhǎng)軸兩側(cè)垂直伸展出來(lái)，而且從一端到另一端有規(guī)律地逐漸增長(zhǎng)，形成箭頭狀，外形似“圣誕樹(shù)”。每個(gè)箭頭狀結(jié)構(gòu)代表是rRNA基因轉(zhuǎn)錄單位，在箭頭狀結(jié)構(gòu)間存在著裸露的不被轉(zhuǎn)錄的DNA間隔片斷（圖2）。 4.1.2 rRNA前體的加工成熟 每個(gè)rRNA基因轉(zhuǎn)錄單位由RNA聚合酶Ⅰ轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生相同的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物——rRNA前體。不同生物的rRNA前體大小不同，哺乳類(lèi)為45 S rRNA。轉(zhuǎn)錄出的45 S rRNA前體很快被甲基化，并剪接為41 S rRNA前體；41 S rRNA在相同的剪接位點(diǎn)可按照不同的剪接順序產(chǎn)生不同的中間前體rRNA，最終將41 S rRNA前體剪接為28 S、18S和5.8 S rRNA。5 S rRNA基因不定位在核仁組織區(qū)，不同物種其位置不同，5 S rRNA轉(zhuǎn)錄后經(jīng)適當(dāng)加工即參與核糖體大小亞單位的裝配。 4.1.3 核糖體亞基的組裝 核糖體的生物發(fā)生包括rRNA的合成、加工和核糖體亞單位的裝配等過(guò)程，是一個(gè)向量過(guò)程，從核仁纖維組分開(kāi)始，向顆粒組分延續(xù)。核仁組分分析發(fā)現(xiàn)完整的45 S rRNA前體首先與蛋白質(zhì)結(jié)合，被包裝成80 S的RNP復(fù)合體。在加工過(guò)程中，80 S的RNP再逐漸失去一些RNA和蛋白質(zhì)，然后剪切成兩種大小不同的核糖體亞單位前體。核糖體小亞單位成熟較早，大亞單位成熟較晚。核糖體的大小亞基在核仁中裝配成熟后，通過(guò)核孔轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中，形成有功能的核糖體（圖3）。核糖體的成熟作用僅發(fā)生在它們的亞單位被轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)以后，兩個(gè)亞單位只有分別通過(guò)核孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中才能形成功能單位，這可阻止有功能的核糖體與核內(nèi)加工不完全的hnRNA分子接近。4.2 核仁的其他功能 除作為核糖體的單一工廠外，核仁還具有另外的功能，包括mRNA的輸出與降解，一些小RNA的核苷酸修飾，在信號(hào)識(shí)別顆粒的生物合成中可能發(fā)揮作用，與基因沉默(相關(guān)蛋白質(zhì)的相隔離和釋出、細(xì)胞衰老，以及細(xì)胞分裂等有關(guān)。 5 核仁在細(xì)胞分裂周期中會(huì)周期性的消失和重建 在細(xì)胞周期過(guò)程中，核仁是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)，隨細(xì)胞周期的變化而變化，即“形成——消失——形成”，這種變化稱(chēng)為核仁周期。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入有絲分裂時(shí)，核仁首先變形和變??；其后染色質(zhì)凝集和停止核糖核酸（RNA）合成，包含有核糖體RNA（rRNA）基因的DNA袢環(huán)逐漸收縮回到相應(yīng)染色體的核仁組織區(qū)；核膜破裂進(jìn)入中期，核仁消失；在有絲分裂末期時(shí)，核仁組織區(qū)DNA解凝集，rRNA合成重新開(kāi)始，極小的核仁重新出現(xiàn)在染色體核仁組織區(qū)附近。核仁的重建過(guò)程與原有的核仁組分的協(xié)助和參與有關(guān)。簡(jiǎn)而言之，細(xì)胞間期核仁出現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄、裝配核糖體，合成蛋白質(zhì)；進(jìn)入前期后，染色體逐漸螺旋化，rRNA合成停止，rDNA袢環(huán)逐漸縮回到染色體，核仁消失；分裂末期染色體解旋，rDNA伸展，合成rRNA，組建成新的核仁。 6 原核細(xì)胞沒(méi)有核仁如何合成核糖體 原核細(xì)胞無(wú)核仁，但控制rRNA的基因位于擬核DNA上。有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最原始的單細(xì)胞真核生物賈第蟲(chóng)雖然沒(méi)有核仁結(jié)構(gòu)形成，但其rDNA的轉(zhuǎn)錄活動(dòng)已集中在核內(nèi)。從銀染后銀粒在核中的分布來(lái)看，其rDNA并未集中在一起，也許是因?yàn)樵陔p滴蟲(chóng)類(lèi)的細(xì)胞核中，諸染色體彼此分化的程度極低，每個(gè)染色體上都只有很少的幾個(gè)rRNA基因，從而不可能起到核仁組織者的作用。其轉(zhuǎn)錄活動(dòng)不足以促成核仁的形成，這也許正代表著進(jìn)化過(guò)程中核仁發(fā)生以前的一種原始狀況。真核細(xì)胞核糖體亞基的裝配部位為核仁，而原核細(xì)胞核糖體亞基的裝配部位為細(xì)胞質(zhì)。 參考文獻(xiàn)： ［1］ 隋宏書(shū)，譚景和.哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞及早期胚胎核仁結(jié)構(gòu)與rRNA基因表達(dá)研究進(jìn)展［J］.生物學(xué)通報(bào).2002，37（11）：4-6. ［2］ 盧義欽，劉俊凡.核仁的蛋白質(zhì)組學(xué)［J］.生命的化學(xué).2003，23（4）：245-247. ［3］ 陳泳宏，郭建，李靖炎等.無(wú)核仁原生動(dòng)物藍(lán)氏賈第蟲(chóng)rDNA的分布［J］.動(dòng)物學(xué)雜志.2002，37（5）：2-5. ［4］ 翟中和，王喜忠，丁明孝.細(xì)胞生物學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2000：283-290.

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核仁在高中生物教學(xué)中多次涉及，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些疑問(wèn)，比如：核仁結(jié)構(gòu)究竟如何？核仁功能與rRNA合成有關(guān)，RNA由DNA轉(zhuǎn)錄，核仁跟DNA什么關(guān)系？細(xì)胞分裂時(shí)，核仁為何會(huì)周期性的消失和重現(xiàn)？這些不僅是學(xué)生的疑問(wèn)，甚至多數(shù)生物教師也不甚了解。筆者在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，解釋了這些疑問(wèn)，能更好地幫助學(xué)生掌握核仁相關(guān)知識(shí)。 1 核仁的概述 在光學(xué)顯微鏡下，染過(guò)色的細(xì)胞內(nèi)或者相差顯微鏡下的活細(xì)胞中或者分離細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)，都容易看到核仁，它通常是單一的或者多個(gè)勻質(zhì)的球形小體，呈圓球形或橢球形的顆粒狀結(jié)構(gòu)，沒(méi)有外膜。核仁的大小、形狀隨生物的種類(lèi)、細(xì)胞類(lèi)型和細(xì)胞代謝狀態(tài)不同有很大差別。蛋白質(zhì)合成旺盛、活躍生長(zhǎng)的細(xì)胞,如分泌細(xì)胞、卵母細(xì)胞的核仁大，可占總核體積25%；不具蛋白質(zhì)合成能力的細(xì)胞，如肌肉細(xì)胞、休眠的植物細(xì)胞，其核仁很小。各種生物的核仁數(shù)目一般是一定的，如非洲爪蛙有2個(gè)核仁，人類(lèi)的細(xì)胞只有一個(gè)核仁。核仁參與核糖體核糖核酸(rRNA)的合成和核糖體的形成，因此常被稱(chēng)為“核糖體工廠”。核仁所含蛋白質(zhì)約占干重的80%，如核糖體蛋白、組蛋白、非組蛋白及多種酶類(lèi)；RNA約占其干重的10%，與蛋白質(zhì)相結(jié)合形成核糖核蛋白(RNP)；此外還含有少量DNA。 2 核仁的超微結(jié)構(gòu) 電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，核仁的超微結(jié)構(gòu)與細(xì)胞質(zhì)中其他的細(xì)胞器不同，周?chē)鷽](méi)有界膜包圍，可辨認(rèn)出有3個(gè)特征性的區(qū)域：纖維中心(FC)、致密纖維組分(DFC)和顆粒成分(GC)。纖維中心(FC)是被致密纖維組分不同程度包圍著的一些低電子密度區(qū)，其主要成分為RNA聚合酶Ⅰ和rDNA。致密纖維組分(DFC)為核仁中電子密度最高的區(qū)域，由致密的纖維組成。根據(jù)電鏡原位雜交證明，DFC是rDNA活躍轉(zhuǎn)錄rRNA的區(qū)域，含有一些特異性RNA結(jié)合蛋白，如核仁纖維蛋白和核仁素等。顆粒組分(GC)是由2～3 nm的rRNA細(xì)絲與蛋白質(zhì)結(jié)合形成的15～20 nmRNA核糖核蛋白體，通常位于核仁周邊部分。除上述三種基本組分外，核仁區(qū)周緣被或多或少的染色質(zhì)所包圍，這層染色質(zhì)稱(chēng)為核仁相隨染色質(zhì)，核仁相隨染色質(zhì)為一些不活躍的異染色質(zhì)和常染色質(zhì)，其中包圍在核仁周?chē)娜旧|(zhì)，高度螺旋，屬異染色質(zhì)；伸入核仁內(nèi)的染色質(zhì)，處于非螺旋狀態(tài)，屬常染色質(zhì)，載有rRNA基因（rDNA），此段DNA稱(chēng)核仁組織區(qū)（NOR），它是形成核仁的部位。 3 核仁的發(fā)生 核仁是核仁組織區(qū)（NOR）中的基因活動(dòng)而形成的可見(jiàn)的球體結(jié)構(gòu)。核仁組織區(qū)參與形成核仁的染色體區(qū)并形成核仁的一部分，具有NOR的染色體稱(chēng)為核仁染色體。核仁組織區(qū)多定位在核仁染色體次縊痕處，含有rRNA基因的一段染色體區(qū)域，與核糖體的形成有關(guān)。核仁組織區(qū)的染色體數(shù)目依不同細(xì)胞種類(lèi)而異，許多動(dòng)植物細(xì)胞只有一對(duì)這樣的染色體，稱(chēng)為隨體染色體。但也有不少種類(lèi)的細(xì)胞有幾對(duì)，甚至許多對(duì)這樣的染色體參與核仁形成。人類(lèi)的rRNA基因分別位于第13號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、21號(hào)、22號(hào)5對(duì)染色體上，這10條含有rRNA基因的區(qū)段以袢環(huán)的形式集結(jié)在核仁中（圖1），每一個(gè)袢環(huán)上成串排列的rRNA基因就叫做一個(gè)核仁組織區(qū)，即專(zhuān)門(mén)為合成rRNA提供模板的rDNA。這些袢環(huán)上含有核糖體核糖核酸（rRNA）的基因。在所有真核生物的細(xì)胞中，這種基因約有50～1 000個(gè)相同拷貝，因而得以維持適當(dāng)數(shù)量的rRNA的合成。牛的雙倍體基因組有10個(gè)NOR，分別位于2、3、4、11和28號(hào)染色體的端粒區(qū)。rDNA的活躍轉(zhuǎn)錄導(dǎo)致核仁在NOR附近產(chǎn)生，實(shí)際上，核仁可被視為這些染色體的延伸。核仁形成后常發(fā)生融合現(xiàn)象，所以雖存在多對(duì)染色體，但常見(jiàn)間期細(xì)胞中僅有1～2個(gè)核仁，人二倍體間期細(xì)胞中含一個(gè)大的核仁。 4 核仁的功能 4.1 合成、加工rRNA和裝配核糖體亞基的重要場(chǎng)所 4.1.1 rRNA基因的轉(zhuǎn)錄 rRNA基因定位在核仁組織區(qū)，該區(qū)域的基因編碼28 S、18 S和5.8 S rRNA，這三個(gè)基因組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位。rRNA基因在染色質(zhì)軸絲上呈串聯(lián)重復(fù)排列（中度重復(fù)順序）；沿轉(zhuǎn)錄方向，新生rRNA鏈從DNA長(zhǎng)軸兩側(cè)垂直伸展出來(lái)，而且從一端到另一端有規(guī)律地逐漸增長(zhǎng)，形成箭頭狀，外形似“圣誕樹(shù)”。每個(gè)箭頭狀結(jié)構(gòu)代表是rRNA基因轉(zhuǎn)錄單位，在箭頭狀結(jié)構(gòu)間存在著裸露的不被轉(zhuǎn)錄的DNA間隔片斷（圖2）。 4.1.2 rRNA前體的加工成熟 每個(gè)rRNA基因轉(zhuǎn)錄單位由RNA聚合酶Ⅰ轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生相同的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物——rRNA前體。不同生物的rRNA前體大小不同，哺乳類(lèi)為45 S rRNA。轉(zhuǎn)錄出的45 S rRNA前體很快被甲基化，并剪接為41 S rRNA前體；41 S rRNA在相同的剪接位點(diǎn)可按照不同的剪接順序產(chǎn)生不同的中間前體rRNA，最終將41 S rRNA前體剪接為28 S、18S和5.8 S rRNA。5 S rRNA基因不定位在核仁組織區(qū)，不同物種其位置不同，5 S rRNA轉(zhuǎn)錄后經(jīng)適當(dāng)加工即參與核糖體大小亞單位的裝配。 4.1.3 核糖體亞基的組裝 核糖體的生物發(fā)生包括rRNA的合成、加工和核糖體亞單位的裝配等過(guò)程，是一個(gè)向量過(guò)程，從核仁纖維組分開(kāi)始，向顆粒組分延續(xù)。核仁組分分析發(fā)現(xiàn)完整的45 S rRNA前體首先與蛋白質(zhì)結(jié)合，被包裝成80 S的RNP復(fù)合體。在加工過(guò)程中，80 S的RNP再逐漸失去一些RNA和蛋白質(zhì)，然后剪切成兩種大小不同的核糖體亞單位前體。核糖體小亞單位成熟較早，大亞單位成熟較晚。核糖體的大小亞基在核仁中裝配成熟后，通過(guò)核孔轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中，形成有功能的核糖體（圖3）。核糖體的成熟作用僅發(fā)生在它們的亞單位被轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)以后，兩個(gè)亞單位只有分別通過(guò)核孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中才能形成功能單位，這可阻止有功能的核糖體與核內(nèi)加工不完全的hnRNA分子接近。4.2 核仁的其他功能 除作為核糖體的單一工廠外，核仁還具有另外的功能，包括mRNA的輸出與降解，一些小RNA的核苷酸修飾，在信號(hào)識(shí)別顆粒的生物合成中可能發(fā)揮作用，與基因沉默(相關(guān)蛋白質(zhì)的相隔離和釋出、細(xì)胞衰老，以及細(xì)胞分裂等有關(guān)。 5 核仁在細(xì)胞分裂周期中會(huì)周期性的消失和重建 在細(xì)胞周期過(guò)程中，核仁是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)，隨細(xì)胞周期的變化而變化，即“形成——消失——形成”，這種變化稱(chēng)為核仁周期。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入有絲分裂時(shí)，核仁首先變形和變??；其后染色質(zhì)凝集和停止核糖核酸（RNA）合成，包含有核糖體RNA（rRNA）基因的DNA袢環(huán)逐漸收縮回到相應(yīng)染色體的核仁組織區(qū)；核膜破裂進(jìn)入中期，核仁消失；在有絲分裂末期時(shí)，核仁組織區(qū)DNA解凝集，rRNA合成重新開(kāi)始，極小的核仁重新出現(xiàn)在染色體核仁組織區(qū)附近。核仁的重建過(guò)程與原有的核仁組分的協(xié)助和參與有關(guān)。簡(jiǎn)而言之，細(xì)胞間期核仁出現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄、裝配核糖體，合成蛋白質(zhì)；進(jìn)入前期后，染色體逐漸螺旋化，rRNA合成停止，rDNA袢環(huán)逐漸縮回到染色體，核仁消失；分裂末期染色體解旋，rDNA伸展，合成rRNA，組建成新的核仁。 6 原核細(xì)胞沒(méi)有核仁如何合成核糖體 原核細(xì)胞無(wú)核仁，但控制rRNA的基因位于擬核DNA上。有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最原始的單細(xì)胞真核生物賈第蟲(chóng)雖然沒(méi)有核仁結(jié)構(gòu)形成，但其rDNA的轉(zhuǎn)錄活動(dòng)已集中在核內(nèi)。從銀染后銀粒在核中的分布來(lái)看，其rDNA并未集中在一起，也許是因?yàn)樵陔p滴蟲(chóng)類(lèi)的細(xì)胞核中，諸染色體彼此分化的程度極低，每個(gè)染色體上都只有很少的幾個(gè)rRNA基因，從而不可能起到核仁組織者的作用。其轉(zhuǎn)錄活動(dòng)不足以促成核仁的形成，這也許正代表著進(jìn)化過(guò)程中核仁發(fā)生以前的一種原始狀況。真核細(xì)胞核糖體亞基的裝配部位為核仁，而原核細(xì)胞核糖體亞基的裝配部位為細(xì)胞質(zhì)。 參考文獻(xiàn)： ［1］ 隋宏書(shū)，譚景和.哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞及早期胚胎核仁結(jié)構(gòu)與rRNA基因表達(dá)研究進(jìn)展［J］.生物學(xué)通報(bào).2002，37（11）：4-6. ［2］ 盧義欽，劉俊凡.核仁的蛋白質(zhì)組學(xué)［J］.生命的化學(xué).2003，23（4）：245-247. ［3］ 陳泳宏，郭建，李靖炎等.無(wú)核仁原生動(dòng)物藍(lán)氏賈第蟲(chóng)rDNA的分布［J］.動(dòng)物學(xué)雜志.2002，37（5）：2-5. ［4］ 翟中和，王喜忠，丁明孝.細(xì)胞生物學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2000：283-290.

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核仁在高中生物教學(xué)中多次涉及，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些疑問(wèn)，比如：核仁結(jié)構(gòu)究竟如何？核仁功能與rRNA合成有關(guān)，RNA由DNA轉(zhuǎn)錄，核仁跟DNA什么關(guān)系？細(xì)胞分裂時(shí)，核仁為何會(huì)周期性的消失和重現(xiàn)？這些不僅是學(xué)生的疑問(wèn)，甚至多數(shù)生物教師也不甚了解。筆者在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，解釋了這些疑問(wèn)，能更好地幫助學(xué)生掌握核仁相關(guān)知識(shí)。 1 核仁的概述 在光學(xué)顯微鏡下，染過(guò)色的細(xì)胞內(nèi)或者相差顯微鏡下的活細(xì)胞中或者分離細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)，都容易看到核仁，它通常是單一的或者多個(gè)勻質(zhì)的球形小體，呈圓球形或橢球形的顆粒狀結(jié)構(gòu)，沒(méi)有外膜。核仁的大小、形狀隨生物的種類(lèi)、細(xì)胞類(lèi)型和細(xì)胞代謝狀態(tài)不同有很大差別。蛋白質(zhì)合成旺盛、活躍生長(zhǎng)的細(xì)胞,如分泌細(xì)胞、卵母細(xì)胞的核仁大，可占總核體積25%；不具蛋白質(zhì)合成能力的細(xì)胞，如肌肉細(xì)胞、休眠的植物細(xì)胞，其核仁很小。各種生物的核仁數(shù)目一般是一定的，如非洲爪蛙有2個(gè)核仁，人類(lèi)的細(xì)胞只有一個(gè)核仁。核仁參與核糖體核糖核酸(rRNA)的合成和核糖體的形成，因此常被稱(chēng)為“核糖體工廠”。核仁所含蛋白質(zhì)約占干重的80%，如核糖體蛋白、組蛋白、非組蛋白及多種酶類(lèi)；RNA約占其干重的10%，與蛋白質(zhì)相結(jié)合形成核糖核蛋白(RNP)；此外還含有少量DNA。 2 核仁的超微結(jié)構(gòu) 電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，核仁的超微結(jié)構(gòu)與細(xì)胞質(zhì)中其他的細(xì)胞器不同，周?chē)鷽](méi)有界膜包圍，可辨認(rèn)出有3個(gè)特征性的區(qū)域：纖維中心(FC)、致密纖維組分(DFC)和顆粒成分(GC)。纖維中心(FC)是被致密纖維組分不同程度包圍著的一些低電子密度區(qū)，其主要成分為RNA聚合酶Ⅰ和rDNA。致密纖維組分(DFC)為核仁中電子密度最高的區(qū)域，由致密的纖維組成。根據(jù)電鏡原位雜交證明，DFC是rDNA活躍轉(zhuǎn)錄rRNA的區(qū)域，含有一些特異性RNA結(jié)合蛋白，如核仁纖維蛋白和核仁素等。顆粒組分(GC)是由2～3 nm的rRNA細(xì)絲與蛋白質(zhì)結(jié)合形成的15～20 nmRNA核糖核蛋白體，通常位于核仁周邊部分。除上述三種基本組分外，核仁區(qū)周緣被或多或少的染色質(zhì)所包圍，這層染色質(zhì)稱(chēng)為核仁相隨染色質(zhì)，核仁相隨染色質(zhì)為一些不活躍的異染色質(zhì)和常染色質(zhì)，其中包圍在核仁周?chē)娜旧|(zhì)，高度螺旋，屬異染色質(zhì)；伸入核仁內(nèi)的染色質(zhì)，處于非螺旋狀態(tài)，屬常染色質(zhì)，載有rRNA基因（rDNA），此段DNA稱(chēng)核仁組織區(qū)（NOR），它是形成核仁的部位。 3 核仁的發(fā)生 核仁是核仁組織區(qū)（NOR）中的基因活動(dòng)而形成的可見(jiàn)的球體結(jié)構(gòu)。核仁組織區(qū)參與形成核仁的染色體區(qū)并形成核仁的一部分，具有NOR的染色體稱(chēng)為核仁染色體。核仁組織區(qū)多定位在核仁染色體次縊痕處，含有rRNA基因的一段染色體區(qū)域，與核糖體的形成有關(guān)。核仁組織區(qū)的染色體數(shù)目依不同細(xì)胞種類(lèi)而異，許多動(dòng)植物細(xì)胞只有一對(duì)這樣的染色體，稱(chēng)為隨體染色體。但也有不少種類(lèi)的細(xì)胞有幾對(duì)，甚至許多對(duì)這樣的染色體參與核仁形成。人類(lèi)的rRNA基因分別位于第13號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、21號(hào)、22號(hào)5對(duì)染色體上，這10條含有rRNA基因的區(qū)段以袢環(huán)的形式集結(jié)在核仁中（圖1），每一個(gè)袢環(huán)上成串排列的rRNA基因就叫做一個(gè)核仁組織區(qū)，即專(zhuān)門(mén)為合成rRNA提供模板的rDNA。這些袢環(huán)上含有核糖體核糖核酸（rRNA）的基因。在所有真核生物的細(xì)胞中，這種基因約有50～1 000個(gè)相同拷貝，因而得以維持適當(dāng)數(shù)量的rRNA的合成。牛的雙倍體基因組有10個(gè)NOR，分別位于2、3、4、11和28號(hào)染色體的端粒區(qū)。rDNA的活躍轉(zhuǎn)錄導(dǎo)致核仁在NOR附近產(chǎn)生，實(shí)際上，核仁可被視為這些染色體的延伸。核仁形成后常發(fā)生融合現(xiàn)象，所以雖存在多對(duì)染色體，但常見(jiàn)間期細(xì)胞中僅有1～2個(gè)核仁，人二倍體間期細(xì)胞中含一個(gè)大的核仁。 4 核仁的功能 4.1 合成、加工rRNA和裝配核糖體亞基的重要場(chǎng)所 4.1.1 rRNA基因的轉(zhuǎn)錄 rRNA基因定位在核仁組織區(qū)，該區(qū)域的基因編碼28 S、18 S和5.8 S rRNA，這三個(gè)基因組成一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位。rRNA基因在染色質(zhì)軸絲上呈串聯(lián)重復(fù)排列（中度重復(fù)順序）；沿轉(zhuǎn)錄方向，新生rRNA鏈從DNA長(zhǎng)軸兩側(cè)垂直伸展出來(lái)，而且從一端到另一端有規(guī)律地逐漸增長(zhǎng)，形成箭頭狀，外形似“圣誕樹(shù)”。每個(gè)箭頭狀結(jié)構(gòu)代表是rRNA基因轉(zhuǎn)錄單位，在箭頭狀結(jié)構(gòu)間存在著裸露的不被轉(zhuǎn)錄的DNA間隔片斷（圖2）。 4.1.2 rRNA前體的加工成熟 每個(gè)rRNA基因轉(zhuǎn)錄單位由RNA聚合酶Ⅰ轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生相同的初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物——rRNA前體。不同生物的rRNA前體大小不同，哺乳類(lèi)為45 S rRNA。轉(zhuǎn)錄出的45 S rRNA前體很快被甲基化，并剪接為41 S rRNA前體；41 S rRNA在相同的剪接位點(diǎn)可按照不同的剪接順序產(chǎn)生不同的中間前體rRNA，最終將41 S rRNA前體剪接為28 S、18S和5.8 S rRNA。5 S rRNA基因不定位在核仁組織區(qū)，不同物種其位置不同，5 S rRNA轉(zhuǎn)錄后經(jīng)適當(dāng)加工即參與核糖體大小亞單位的裝配。 4.1.3 核糖體亞基的組裝 核糖體的生物發(fā)生包括rRNA的合成、加工和核糖體亞單位的裝配等過(guò)程，是一個(gè)向量過(guò)程，從核仁纖維組分開(kāi)始，向顆粒組分延續(xù)。核仁組分分析發(fā)現(xiàn)完整的45 S rRNA前體首先與蛋白質(zhì)結(jié)合，被包裝成80 S的RNP復(fù)合體。在加工過(guò)程中，80 S的RNP再逐漸失去一些RNA和蛋白質(zhì)，然后剪切成兩種大小不同的核糖體亞單位前體。核糖體小亞單位成熟較早，大亞單位成熟較晚。核糖體的大小亞基在核仁中裝配成熟后，通過(guò)核孔轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中，形成有功能的核糖體（圖3）。核糖體的成熟作用僅發(fā)生在它們的亞單位被轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)以后，兩個(gè)亞單位只有分別通過(guò)核孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中才能形成功能單位，這可阻止有功能的核糖體與核內(nèi)加工不完全的hnRNA分子接近。4.2 核仁的其他功能 除作為核糖體的單一工廠外，核仁還具有另外的功能，包括mRNA的輸出與降解，一些小RNA的核苷酸修飾，在信號(hào)識(shí)別顆粒的生物合成中可能發(fā)揮作用，與基因沉默(相關(guān)蛋白質(zhì)的相隔離和釋出、細(xì)胞衰老，以及細(xì)胞分裂等有關(guān)。 5 核仁在細(xì)胞分裂周期中會(huì)周期性的消失和重建 在細(xì)胞周期過(guò)程中，核仁是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)，隨細(xì)胞周期的變化而變化，即“形成——消失——形成”，這種變化稱(chēng)為核仁周期。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入有絲分裂時(shí)，核仁首先變形和變?。黄浜笕旧|(zhì)凝集和停止核糖核酸（RNA）合成，包含有核糖體RNA（rRNA）基因的DNA袢環(huán)逐漸收縮回到相應(yīng)染色體的核仁組織區(qū)；核膜破裂進(jìn)入中期，核仁消失；在有絲分裂末期時(shí)，核仁組織區(qū)DNA解凝集，rRNA合成重新開(kāi)始，極小的核仁重新出現(xiàn)在染色體核仁組織區(qū)附近。核仁的重建過(guò)程與原有的核仁組分的協(xié)助和參與有關(guān)。簡(jiǎn)而言之，細(xì)胞間期核仁出現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄、裝配核糖體，合成蛋白質(zhì)；進(jìn)入前期后，染色體逐漸螺旋化，rRNA合成停止，rDNA袢環(huán)逐漸縮回到染色體，核仁消失；分裂末期染色體解旋，rDNA伸展，合成rRNA，組建成新的核仁。 6 原核細(xì)胞沒(méi)有核仁如何合成核糖體 原核細(xì)胞無(wú)核仁，但控制rRNA的基因位于擬核DNA上。有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最原始的單細(xì)胞真核生物賈第蟲(chóng)雖然沒(méi)有核仁結(jié)構(gòu)形成，但其rDNA的轉(zhuǎn)錄活動(dòng)已集中在核內(nèi)。從銀染后銀粒在核中的分布來(lái)看，其rDNA并未集中在一起，也許是因?yàn)樵陔p滴蟲(chóng)類(lèi)的細(xì)胞核中，諸染色體彼此分化的程度極低，每個(gè)染色體上都只有很少的幾個(gè)rRNA基因，從而不可能起到核仁組織者的作用。其轉(zhuǎn)錄活動(dòng)不足以促成核仁的形成，這也許正代表著進(jìn)化過(guò)程中核仁發(fā)生以前的一種原始狀況。真核細(xì)胞核糖體亞基的裝配部位為核仁，而原核細(xì)胞核糖體亞基的裝配部位為細(xì)胞質(zhì)。 參考文獻(xiàn)： ［1］ 隋宏書(shū)，譚景和.哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞及早期胚胎核仁結(jié)構(gòu)與rRNA基因表達(dá)研究進(jìn)展［J］.生物學(xué)通報(bào).2002，37（11）：4-6. ［2］ 盧義欽，劉俊凡.核仁的蛋白質(zhì)組學(xué)［J］.生命的化學(xué).2003，23（4）：245-247. ［3］ 陳泳宏，郭建，李靖炎等.無(wú)核仁原生動(dòng)物藍(lán)氏賈第蟲(chóng)rDNA的分布［J］.動(dòng)物學(xué)雜志.2002，37（5）：2-5. ［4］ 翟中和，王喜忠，丁明孝.細(xì)胞生物學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2000：283-290.

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