核糖体是细胞合成蛋白质的核心机器。其发生始于核仁：核糖体RNA（rRNA）在这里被转录、加工，并与核糖体蛋白及众多装配因子逐步结合，形成核糖体前体（pre-ribosome）。然而，过去对这些中间体的高分辨率认识多来自细胞外纯化样品单颗粒结构，装配过程在真实细胞空间中的位置和动态仍不清楚。
近日，欧洲分子生物学实验室（EMBL）Xiaohan Zhao等与Christoph W. Müller、Julia Mahamid、Sara Cuylen-Haering团队在Science发表题为In-cell structures visualize human pre-ribosome assembly in the nucleolus的研究论文。研究人员结合冷冻相关光电显微镜和冷冻电子断层成像，在接近天然状态的完整HeLa细胞核仁中，直接解析了小亚基前体SSUprocessome和大亚基前体pre-60S的一系列原位结构。
研究获得了SSU processome和pre-60S分别达8.2 Å和6.9 Å分辨率的原位结构，并从中识别出6种SSU processome和14种pre-60S装配中间体。这些结构既重现了既往单颗粒研究发现的主要成熟状态，也捕捉到多个新的、短暂的相互作用，为人类核糖体前体在核仁内的装配提供了“分子快照”。
RNA 外切体原位参与小亚基前体加工
SSU processome是40S小亚基的巨大前体，承担18S rRNA折叠、切割和加工等任务。研究发现，人类细胞内SSU processome的装配顺序与酵母中观察到的规律相似：尽管18S rRNA按5′至3′方向转录，其3′端区域和U3小核仁RNA相关复合物会先于中央区和5′端区域稳定整合。
团队还在两个关键中间体中观察到RNA 外切体结合。RNA 外切体负责去除5′外转录间隔区（5′-ETS）；其原位结合伴随着多个组分的构象重排，并与A1切割步骤相联系。该结果为RNA 外切体参与人类小亚基前体成熟提供了直接的细胞内结构证据。
完整rixosome与CRM1参与大亚基前体后期成熟
对于60S大亚基前体，研究人员解析出多个早期和晚期中间体，其中包括此前未描述的状态。研究首次在pre-60S上观察到完整的人类rixosome构型。该复合体由RIX1亚复合物和LAS1L-NOL9复合物组成，参与内部转录间隔区ITS2的切割。结构显示，LAS1L-NOL9以C2对称排列，并可桥接pre-60S二聚体；这一组织方式可能有助于协调RNA加工。
更出人意料的是，研究人员在核仁内的晚期pre-60S颗粒上观察到核输出受体CRM1-RanGTP。传统上，CRM1被认为主要在pre-60S进入核质、准备经核孔输出时发挥作用；新结果提示，CRM1可能更早参与pre-60S从核仁释放至核质的过程。由此，部分此前被认为发生在核质中的大亚基后期成熟步骤，可能已经在核仁内完成。
核仁应激使晚期大亚基前体滞留
研究团队还用低剂量放线菌素D抑制RNA聚合酶I，模拟经典核仁应激。处理后，核仁内SSU processome几乎消失，而pre-60S总量增加，尤其是晚期K和KCRM1状态明显富集，提示较成熟的大亚基前体难以离开核仁。
进一步分析显示，这并非普遍性的核输出障碍：整体核输出受影响较小，但CRM1会在核仁中积累；与此同时，核仁周围异染色质从不连续区域重组为连续层。研究者提出，核仁空间结构和染色质组织的改变可能共同限制pre-60S向核质释放。
总的来说，这项研究将高分辨率结构生物学与细胞内空间语境结合起来，表明人类核糖体前体的成熟不仅依赖组分按序招募，也受到核仁空间组织和细胞状态调控。该工作为理解核仁应激、核糖体发生异常及相关疾病提供了新的结构基础。
DOI: 10.1126/science.aej0483
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