NAR |?郭強課題組揭示真核生物核糖體RNA擴展片段介導核糖體二聚休眠的新機制

核糖體是由蛋白質和核糖體 RNA （ rRNA ）構成的大型分子機器， 承擔著細胞內全部蛋白質合成的核心功能。蛋白質合成是細胞中能量消耗最高的過程之一，因此在受到外界脅迫時，細胞往往會迅速降低整體翻譯水平。 在細菌中， 除了對單個核糖體翻譯活性的調控外，細胞還可在環境應激條件下依賴休眠因子促使核糖體形成二聚體，從而實現更高層次的翻譯調控【1】。 這種休眠狀態有利于核糖體的儲存和保護，維持核糖體群體的穩定性，并在應激解除后促進翻譯的快速恢復【2】。 然而，真核細胞中是否存在類似的、通過調控核糖體空間拓撲組織來調節翻譯活性的機制，長期以來尚不清楚。

近日，北京大學郭強課題組在 Nucleic Acids Research 雜志在線發表了題為 rRNA expansion segments mediate ribosome dimerization as a conserved stress response 的研究論文。該研究利用冷凍電子斷層掃描成像（ cryo-ET ）技術，在細胞原位解析了核糖體的翻譯活性與空間分布形式，揭示了動物細胞中核糖體通過rRNA擴展片段形成二聚體的分子機制，并闡明該過程是一種保守的應激響應，參與翻譯調控。

在本研究中，利用 cryo-ET 對大鼠神經元進行原位觀察，并結合課題組此前開發的鄰近分子拓撲分析方法 NEMO - TOC【3】， 發現應激誘導條件下核糖體會形成兩種無活性的二聚體結構（圖1）。 值得注意的是，這兩種二聚體中的核糖體相互作用分別由 rRNA 擴展片段 ES31b ，以及 ES30a 和 ES20a 介 導，并通過 “kissing-loop” 方式實現二聚化；這一機制隨后又在生化實驗中得到了進一步驗證（圖1E）。 rRNA 擴展片段是真核核糖體特有的 rRNA 序列，其在進化過程中具 有顯著的序列差異，因此長期以來常被視為核糖體中的 “ 結構性冗余 ” 區域，相關功能研究相對有限【4】。 本研究首次表明，特定的rRNA擴展片段可在應激條件下直接介導核糖體二聚化。此外，研究還發現，這種核糖體二聚化現 象在嘌呤霉素處理、氨基酸缺乏以及內質網應激等多種條件下均可發生，并在應激解除后迅速消失，顯示出明顯的動態可逆性。

值得一提的是，在本研究審稿期間，Science雜志發表了題為Ribosomal RNA expansion segments mediate the oligomerization of inactive animal ribosomes的 相關 研究【5】。 該工作進一步證明，核糖體二聚體對于維持細胞在應激狀態下的存活具有重要作用。與 Science 論文 僅報道 由 ES31b 介 導的一種二聚體結構相比，本研究還進一步發現了另一種由 ES30a 和 ES20a 介 導的核糖體二聚體。結合課題組此前在 U2OS 細胞中發現的由 ES27L 介 導的核糖體二聚體【6】， 這些結果共同提示：rRNA擴展片段的不同區域可能通過介導休眠核糖體二聚體的形成，廣泛參與真核細胞的翻譯調控。

圖 1 ： rRNA 擴展片段 介 導的核糖體二聚化機制。 A–D. 核糖體 rRNA 擴展片段 ES31b 介 導二聚體的形成。 E. RNA 競爭實驗驗證二聚體相互作用界面； F–I. 核糖體 rRNA 擴展片段 ES30a 和 ES20a 介導 的另一類 二聚體形成。

綜上，本研究確立了rRNA擴展片段在應激誘導核糖體休眠二聚化過程中的核心作用，拓展了對翻譯調控機制的認識。不同于原核細胞依賴休眠因子實現核糖體失活與儲存的方式，真核細胞可直接利用核糖體自身的rRNA元件，實現快速且可逆的應激響應，為理解翻譯調控的空間組織原則提供了新的視角。

北京大學生命科學學院郭強研究員、凱斯西 儲大學 Derek J Taylor 、 Maria Hatzoglou 為本論文共同通訊作者，郭強實驗室江文宏博士（現為湖北工業大學副教授）、博士 研究 生陳晨、王星為共同第一作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/nar/gkag354

制版人： 十一

參考文獻

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[2] Feaga Heather, A., Kopylov, M., Kim Jenny, K., Jovanovic, M. & Dworkin, J. Ribosome Dimerization Protects the Small Subunit.Journal of Bacteriology202 , 10.1128/jb.00009-00020, (2020).

[3] Jiang, W. et al. A transformation clustering algorithm and its application in polyribosomes structural profiling.Nucleic Acids Research50 , 9001-9011, (2022).

[4] Hariharan, N., Ghosh, S. & Palakodeti, D. The story of rRNA expansion segments: Finding functionality amidst diversity.WIREs RNA14 , e1732, (2023).

[5] Schwarz, A. et al. Ribosomal RNA expansion segments mediate the oligomerization of inactive animal ribosomes.Science391 , eadr4287, (2026)

[6] Wu, Y. et al. Translation landscape of stress granules.Science Advances11 , eady6859, (2025).

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