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科普中国

作者：邵文亚

编辑：张一诺

2019 年 4 月，全世界的目光被一张模糊却震撼的照片吸引——那是人类首次看见黑洞的模样，一个橙黄色的圆环，包裹着中间深不可测的暗影。这个直径达 400 亿公里的天体，被命名为 M87 黑洞。

M87 黑洞。（图/Wikipedia）

但你或许不知道，早在这张“宇宙级自拍”面世前，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心研究员陈玲玲团队，已经于 2018 年 2 月在显微镜下拍到了一张惊人相似的图像——只不过，它的主角不是天体，而是你我体内数以亿计细胞中的一个小结构：核仁（nucleolus）。

研究团队拍摄的核仁区域的图片。（图/参考文献[1]）

这张细胞图像显示，一个 600 纳米大小的环状结构，在显微镜下闪烁着光晕，如同微观世界里的迷你黑洞。两者相似形态的背后，隐藏着科学上更深层的联系：黑洞是宇宙中物质和能量的汇聚点，而核仁则是细胞中制造核糖体的高效工厂，也是细胞“能量调度”的关键节点。

细胞里的“超级工厂”，

如何制造生命的“螺丝钉”？

在显微镜下，核仁只是细胞核中的一个圆形斑点，看似毫不起眼，却是细胞中最繁忙、最重要的“加工厂”之一。它的任务是什么？简单来说，它负责制造核糖体，而核糖体是一种几乎参与细胞内所有蛋白质合成的“分子机器”。没有核糖体，就没有蛋白质，细胞就没法工作，也无法维持生命。可以说，核仁是细胞制造“制造工具的工具”的地方。

细胞内结构图，1 为核仁，2 为细胞核，3 为内质网上的核糖体。（图/Wikipedia）

不过，别以为它只是个简简单单的“车间”，实际上，核仁内部的构造复杂得像一座现代化工业园区。科学家将其划分为四个分区，每一层都承担着特定的功能，层层协作，环环紧扣。

纤维中心（FC）

就像工厂的“前道仓库”，这里是原材料，也就是核糖体 RNA（rRNA）的初始转录区。rRNA 是制造核糖体的“骨架”，在这个区域由 RNA 聚合酶I转录出来。

致密纤维组分（DFC）

这个区域好比“初加工车间”，rRNA 在这里被化学修饰、剪切成合适的片段，准备进入下一步的组装。

纤维中心与致密纤维组分（图/参考文献[1]）

致密纤维组分外侧区域（PDFC）

相当于“中转仓库”或“分装区”，rRNA 在这里进一步被处理，并逐渐分流出不同方向，进入对应的组装流程。

颗粒区（GC）

这是“装配车间”，核糖体的小亚基和大亚基在这里分别组装完毕，像是机器零件最终上生产线，准备投入细胞的工作中。

这四个“车间”不只是在空间上排列得当，还在时间上各自配合。rRNA 从转录、剪辑、加工到组装，遵循一个明确的时序与路径。中国科学院陈玲玲团队首次使用超高分辨显微镜与单分子追踪技术，完整绘制了 rRNA 在核仁中从生成到成熟的全过程时空图谱，就像为这座看不见的工厂安装了一套实时监控系统。

更令人惊讶的是，核仁处理 rRNA 时并非“一站式完成”，而是“分层加工”。这就像一个超大型装配线，不同的零件在不同的工段完成加工，最后才能拼接成完整的机器。

通过精密的结构分区，核仁像一座全自动、分布式的纳米工厂，不但大大提高了加工效率，还能应对不同细胞对蛋白合成速度的多样化需求。

核仁的“进化式改造”

是为了更高效地赶工！

让我们继续用工厂来类比核仁的结构。不同生物的工厂设计图其实并不一样，低等动物，比如斑马鱼，核仁就像是两层的小型车间；而高等动物，比如人类，则拥有四层结构的多功能工业园。这不是随机进化的结果，而是一种效率导向的结构优化。

研究团队通过对人类细胞和斑马鱼胚胎细胞的对比实验发现，人类核仁的加工效率是斑马鱼的 7 倍以上！在斑马鱼的双层结构中，rRNA 的流动像卡住的传送带，速度缓慢；而在人类的多层结构中，rRNA 像是驶入了高速公路，迅速穿过内外各层，完成从加工到组装的全过程。

就像早期只有两条生产线的小作坊，后来发展出车间分区、自动化控制、流程并行的现代工厂一样，核仁通过“层数升级”实现了效率提升，以适应复杂多变的细胞环境。

关于 pre-rRNA 加工、空间分布与核仁亚结构协同关系的模型设想（图/参考文献[1]）

为什么高效工厂特别重要？不同的细胞，对核糖体的需求是不一样的。比如癌细胞，增殖速度极快，急需大量蛋白质，核仁就像开足马力的超高产能车间；再比如神经细胞，成年后基本不再分裂，对蛋白质合成需求低，核仁的结构也就缩小，反而像是半退休状态的小工坊。

科研团队通过对神经细胞与干细胞进行比较，发现一个有趣的现象。在神经细胞中，加工 rRNA 的效率明显下降，导致原材料积压，核仁内部结构甚至会发生膨胀或破裂。rRNA 加工效率和核仁结构，是一套联动系统——就像流水线卡住了，整个车间的布局都会跟着变化。而如果哪一步骤长期受阻，细胞功能就会出问题。

当这套加工系统出错，会有什么样的后果呢？研究发现核仁过度活跃，可能导致细胞无限复制，是多种癌症的潜在源头。除此之外，核仁失活或加工受阻，会造成核糖体合成紊乱，与贫血、发育异常、鸟面综合征等疾病有关。

换句话说，核仁就像细胞的发动机工厂。一旦这个工厂出了问题，整个生命机器的运转就可能出故障。

此次研究首次证明，不是核仁越大越好，而是它的层次结构与加工效率必须精准匹配细胞需求。正是这种匹配机制，让我们从一个受精卵长成亿万细胞的复杂生命体。

在浩瀚宇宙中，黑洞是最强引力的汇聚点，而在细胞的微观世界里，核仁则是生命信息的加工中枢。通过层层嵌套的结构，它将 13,000 个碱基长的 rRNA 加工成制造蛋白质的机器——核糖体。

这次我国科研团队揭示的，不仅是核仁的结构地图，更是一套细胞生产力逻辑，当结构设计与功能需求精准对接，生命便可高效运行。而当这座工厂运转失常时，疾病的种子也悄然埋下。理解这一“细胞黑洞”的奥秘，是我们解码生命的一小步，也可能是医学未来的一大步。

排版：车美彤

[1]Pan, Yu-Hang, et al. “Pre-rRNA spatial distribution and functional organization of the nucleolus.” bioRxiv (2024): 2024-11.

[2]Granneman, Sander, and Susan J. Baserga. “Crosstalk in gene expression: coupling and co-regulation of rDNA tranion, pre-ribosome assembly and pre-rRNA processing.” Current opinion in cell biology 17.3 (2005): 281-286.

[3]Huang, Sui. “Building an efficient factory: where is pre-rRNA synthesized in the nucleolus?.” The Journal of cell biology 157.5 (2002): 739.