雖然自19世紀30年代以來就已知為細胞核中的圓形黑斑，但直到最近核仁才得到充分應對。科學家們已經(jīng)了解到，除了建立細胞的蛋白質工廠外，這個專門的亞基或細胞器更廣泛地作為細胞生長和健康的控制中心。

在經(jīng)過一系列研究的過去幾年中，普林斯頓大學的Clifford Brangwynne及其同事發(fā)現(xiàn)，核仁的行為就像一種具有蜂蜜稠度的液體。然而，不知何故，這種生物液滴保持了復雜的，分隔的內(nèi)部結構?；瘜W和生物工程助理教授Brangwynne 和其他研究人員一直困惑于這種類似液體的物體如何能夠穩(wěn)定地劃分出層，而不是僅僅融合成均質的水珠。

Brangwynne的一項新研究，他的學生和他們的合作者提出了解決核仁組裝和內(nèi)部組織悖論的方法。他們的論文于2016年5月19日在線發(fā)表于Cell，表明核仁的組成蛋白和RNA自發(fā)地組裝成三個不同的液體層，這歸功于它們的不同特性，如表面張力和粘度。相反，油和水可以共存但仍保持分離，核仁形成液體子室，從而實現(xiàn)其關鍵功能。這些關于核仁形式和功能的見解最終可能指向治療疾病的新方法。

“要獲得核仁的特征分層，'核 - 殼'結構，你需要做的就是將足夠濃度的正確分子混合在一起，”研究共同主要作者Marina Feric博士說?；瘜W和生物工程專業(yè)的學生。

“我們?yōu)楹巳实慕Y構提供了生物物理機制，這種機制自動從不混溶液體的集體行為中產(chǎn)生，”該研究的另一位聯(lián)合主要作者Nilesh Vaidya說，他是Brangwynne實驗室的Helen Hay Whitney博士后研究員。

Brangwynne及其同事之前已經(jīng)證明，除了核仁之外，還有許多其他細胞器也是相分離的RNA和蛋白質液滴。目前的研究結果表明，這些細胞器如何缺乏膜提供的明顯區(qū)室化，但仍然可以展示出適合其細胞功能的復雜結構。

“流體的基本特性決定了核仁的哪些成分在內(nèi)部和外部，”Brangwynne說。“由于即使在非生物狀態(tài)下也能觀察到這種效應背后的基本原理，我們認為這種物理圖像適用于細胞內(nèi)的許多細胞器。”

該研究的其他普林斯頓共同作者是研究生蓮朱和初級蒂芬妮理查森，他們都在Brangwynne的Soft Living Matter Group。其他作者包括：圣路易斯華盛頓大學的Tyler Harmon和Rohit Pappu; 孟菲斯圣猶達研究醫(yī)院的Diana Mitrea和Richard Kriwacki。該研究的資金部分由國家科學基金會，國立衛(wèi)生研究院，國家癌癥研究所和海倫·艾倫·惠特尼基金會提供。

研究人員通過對純化的核仁蛋白以及活的卵細胞，蛔蟲和培養(yǎng)細胞進行實驗以及一些計算機模擬來研究核仁。

由Feric帶頭的青蛙卵的研究利用了雞蛋擁有多個大核仁的事實，緩解了細胞器的觀察和操縱。在這些卵中，由于彈性肌動蛋白網(wǎng)絡，核仁通常不會接觸。Feric將它們在藥理學藥物中孵育以分解肌動蛋白，使核仁彼此接觸，并觀察它們的內(nèi)容融合，就像兩滴水結合成更大的水滴一樣。通過分析這些融合事件，研究人員梳理了各個核仁層的不同生物物理特性。

同時，由Vaidya領導的基于蛋白質的實驗室工作發(fā)現(xiàn)，兩種主要核仁蛋白質的液滴，稱為FIB1和NPM1，不會作為均質液體相互融合。相反，由于FIB1的表面張力高于NPM1，前者被后者吞噬，精確地模仿活細胞中看到的核仁結構。作為這種現(xiàn)象的證明，研究人員還創(chuàng)造了類似的多相液滴 - 嵌入其他液體中的液體 - 使用植物油和硅油在水中。

總而言之，這些數(shù)據(jù)可以輕松地解釋核仁的各個子室如何相互嵌入，有點像俄羅斯俄羅斯套娃或“筑巢”娃娃。

“這項研究非常重要且令人興奮，”蒙特利爾大學的生物物理化學家Steve Michnick說，他沒有參與這項研究。“它確立了核仁的子組織來自于一個相分離的身體包圍另一個，并解釋了每個身體和周圍環(huán)境之間的物理互補性，從而產(chǎn)生了這種安排。”

對于核仁，這種分層形式遵循功能。新制造的RNA分子從細胞器的核心進入中間，然后是外部組件，在它們這樣做時接受修改，就像在裝配線上一樣。像工廠一樣，核仁酶會產(chǎn)生這些RNA比特，這些RNA比特在離開核仁后最終進入細胞的細胞質并連接起來形成稱為核糖體的結構。工廠本身就是這些核糖體制造細胞的數(shù)千種蛋白質。

除了制造核糖體外，核仁最近還成為協(xié)調細胞生長的樞紐，有助于調節(jié)細胞分裂，甚至可以設定細胞自我破壞的時間，以應對壓力或損傷。鑒于這種中心性，核仁在疾病中的作用也越來越被認可。例如，在某些疾病期間，核仁可能會失去一些正常的液體。如果有缺陷的核仁變得更加纖維狀，那么通過它們的腔室平穩(wěn)地流出RNA，這可能導致心臟和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

另一個主要的核仁病是突出的癌癥。在惡性細胞中，被劫持的核仁過多產(chǎn)生蛋白質，導致失控，快速分裂。腫瘤學家通常會對癌細胞的侵襲性進行評分，部分原因在于它們的畸形程度和腫脹的核仁。

正如新的細胞研究所提供的，進一步了解核仁的正常布局將有助于評估細胞器在不久的將來作為藥物的有希望的治療靶標。Brangwynne還希望了解核仁核 - 殼結構將為他的實驗室正在進行的研究提供信息，這些研究是針對其他沒有膜的被忽視的細胞器，如應力顆粒，p體和Cajal體。盡管這些結構在生物學教科書中幾乎沒有出現(xiàn)，但最近的研究表明它們在細胞生理學和許多疾病中都起著關鍵作用，包括諸如阿爾茨海默氏癥和肌萎縮側索硬化癥(ALS)等聚集疾病。

“這項研究對我們來說非常令人興奮，”Brangwynne說。“ 基于相對簡單的物理原理，像核仁這樣的復雜結構可以自我組織，這是令人驚訝的。我們希望這種組織在疾病方面可能出現(xiàn)問題，這也很簡單。”