核仁结构在细胞周期进程中的改组重构行为以及与功能关系的研究

Nucleolus is the subcellular compartment where the precursors of ribosomes are synthesized in eukaryotes. The FC, DFC and GC are the main structural and functional components of the nucleolus. The nucleolus begins to disorganized before the prophase of the mitosis, and reorganized in telophase and maintained during the entire interphase when rDNA transcription takes place. The number, size and appearance of FC, DFC and GC vary depending on the activity of the cell. Our previous studies reveal that the nucleolus undergoes a remodeling in structure and composition, rather than just a simple process of disorganization and reorganization. We believe that the remodeling is a critical transition of nucleolus function in cell cycle, which affects a series of cellular events. However, the mechanisms and functions of this remodeling are unclear. The aim of this study is to explore the details of the nulceolus remodeling in cell cycle progression, by using a dynamic ultrastructural strategy, in order to clarify the relationship between nucleolus remodeling and functions. Understanding of this mechanism is essential to the studies into the roles of nucleolus in cellular fuctions.

核仁是真核细胞合成核糖体前体的重要功能区,FC、DFC和GC是主要功能结构组分。以往研究认为:核仁在有丝分裂前期开始解体消失,末期重建并伴随rDNA转录活动维系在整个间期时段;FC、DFC和GC随细胞代谢活动在数量、大小和形态发生改变。我们最近的研究发现,核仁在细胞周期进程中不是简单的形成和解体,而是在某个相应时段内结构组分发生改构(改组重构);FC、DFC的数量和形态等变化是由改构产生的。我们认为改构行为是细胞周期进程中核仁功能转换的关键节点，它可能标志着核仁功能在细胞周期进程中的拐点和走向，并可影响一系列的细胞生物学行为。但影响哪些行为？如何影响？什么机制？需要探讨。为此，我们拟从细胞生物学角度,采用动态学方法,在超微结构水平上首先力图阐明核仁结构在细胞周期进程中的改构过程，改构对结构所承载功能的影响,解析改构机制。弄清这些问题将在核仁对细胞功能影响的深入研究提供重要的理论和实验基础。

核仁是真核细胞中最显著的亚细胞核结构。早在上世纪60年代就已确认核仁是rRNA合成和核糖体前体装配的场所。由于维系细胞生长、发育和增殖过程中所需的蛋白质是在核糖体上合成的，所以核仁在细胞生命活动中起着非常重要的作用。近年来的研究表明核仁对细胞周期、细胞衰老和肿瘤发生等调控作用也密不可分。因此关于核仁结构与这些功能关系的研究也显得十分重要。FC/DFC是核仁最基本的结构组分之一。多年来，国内外的研究一直认为FC/DFC是伴随核仁功能维系在整个细胞周期间期时段的恒定结构，并将许多功能定位于这一结构上。但由于所采用的实验材料或方法不同，在结构与功能之间的关系产生一些分歧。我们近年来对核仁结构研究发现，核仁在细胞周期进程中不是简单的形成和解体，而是在细胞周期进程中某个相应时段内其结构组分发生改构与重建；FC和DFC的数量、大小和形态变化是由核仁结构的改构与重建产生的。为此我们就此问题立项展开研究并取得一定的结果。首先我们用电镜追踪了人的宫颈癌细胞（HeLa）核仁结构在细胞周期进程中的超微结构形态学动态过程。结果表明，在S期时段FC/DFC发生了改构与重建。通过改构与重建，间期核仁FC/DFC的结构形态以两个动态时段存在，即：G1期的FC/DFC是在有丝分裂结束后以NOR为中心构建核仁时形成的结构；G2期的FC/DFC是在S期中期时段改构后重新构建形成的结构。同时用哺乳动物细胞和植物细胞对这一问题进行了平行研究，说明了真核细胞核仁FC/DFC具有在S期改构重建的共性。在此研究中我们又发现了真核细胞核仁在S期的改构时段由三元结构模式转变成二元结构模式。根据这一结果我们认为，核仁的二元结构模式不只存在于低等真核生物中，而在不同物种或不同类型细胞中，核仁的三元结构模式和二元结构模式并存，只是分别存在于细胞周期的不同时段。在这些结果的基础上我们又对核仁DNA、RNA和一些相关蛋白质与FC／DFC改构重建的关系进行了研究并取得一些重要结果。上述研究结果的部分内容已经在专业期刊上发表，部分内容正在分析总结拟在近期发表。我们的研究结果或结论在学术上可为细胞生物学的理论发展提供重要的科学依据；为核仁功能的深入研究奠定重要的理论基础并能提供重要、真实的实验数据。