北京大学生命科学学院郭强课题组揭示真核生物核糖体RNA扩展片段介导核糖体二聚休眠的新机制

近日，北京大学生命科学学院郭强研究员课题组在Nucleic Acids Research在线发表了题为“rRNA expansion segments mediate ribosome dimerization as a conserved stress response”的研究论文。该研究利用冷冻电子断层扫描成像（cryo-ET）技术，在细胞原位解析了核糖体的翻译活性与空间分布形式，揭示了动物细胞中核糖体通过rRNA扩展片段形成二聚体的分子机制，并阐明该过程是一种保守的应激响应，参与翻译调控。

核糖体是由蛋白质和核糖体RNA（rRNA）构成的大型分子机器，承担着细胞内全部蛋白质合成的核心功能。蛋白质合成是细胞中能量消耗最高的过程之一，因此在受到外界胁迫时，细胞往往会迅速降低整体翻译水平。在细菌中，除了对单个核糖体翻译活性的调控外，细胞还可在环境应激条件下依赖休眠因子促使核糖体形成二聚体，从而实现更高层次的翻译调控^[1]。这种休眠状态有利于核糖体的储存和保护，维持核糖体群体的稳定性，并在应激解除后促进翻译的快速恢复^[2]。然而，真核细胞中是否存在类似的、通过调控核糖体空间拓扑组织来调节翻译活性的机制，长期以来尚不清楚。

在本研究中，利用cryo-ET对大鼠神经元进行原位观察，并结合课题组此前开发的邻近分子拓扑分析方法NEMO-TOC^[3]，发现应激诱导条件下核糖体会形成两种无活性的二聚体结构（如图）。值得注意的是，这两种二聚体中的核糖体相互作用分别由rRNA扩展片段ES31b，以及ES30a和ES20a介导，并通过“kissing-loop”方式实现二聚化；这一机制随后又在生化实验中得到了进一步验证（图E）。rRNA扩展片段是真核核糖体特有的rRNA序列，其在进化过程中具有显著的序列差异，因此长期以来常被视为核糖体中的“结构性冗余”区域，相关功能研究相对有限^[4]。本研究首次表明，特定的rRNA扩展片段可在应激条件下直接介导核糖体二聚化。此外，研究还发现，这种核糖体二聚化现象在嘌呤霉素处理、氨基酸缺乏以及内质网应激等多种条件下均可发生，并在应激解除后迅速消失，显示出明显的动态可逆性。

值得一提的是，在本研究审稿期间，Science杂志发表了题为“Ribosomal RNA expansion segments mediate the oligomerization of inactive animal ribosomes”的相关研究^[5]。该工作进一步证明，核糖体二聚体对维持细胞在应激状态下的存活具有重要作用。与Science论文仅报道由ES31b介导的一种二聚体结构相比，本研究还进一步发现了另一种由ES30a和ES20a介导的核糖体二聚体。结合课题组此前在U2OS细胞中发现的由ES27L介导的核糖体二聚体^[6]，这些结果共同提示：rRNA扩展片段的不同区域可能通过介导休眠核糖体二聚体的形成，广泛参与真核细胞的翻译调控。

rRNA扩展片段介导的核糖体二聚化机制。A—D. 核糖体rRNA扩展片段ES31b介导二聚体的形成；E. RNA竞争实验验证二聚体相互作用界面；F—I. 核糖体rRNA扩展片段ES30a和ES20a介导的另一类二聚体形成

综上，本研究确立了rRNA扩展片段在应激诱导核糖体休眠二聚化过程中的核心作用，拓展了对翻译调控机制的认识。不同于原核细胞依赖休眠因子实现核糖体失活与储存的方式，真核细胞可直接利用核糖体自身的rRNA元件，实现快速且可逆的应激响应，为理解翻译调控的空间组织原则提供了新的视角。

郭强、凯斯西储大学Derek J Taylor教授、Maria Hatzoglou教授为本论文共同通讯作者，郭强实验室江文宏博士（现为湖北工业大学副教授），博士研究生陈晨、王星为共同第一作者。本工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、北京市杰出青年基金等的支持。

参考文献：

[1] Matzov, D. et al. The cryo-EM structure of hibernating 100S ribosome dimer from pathogenic Staphylococcus aureus. Nature Communications 8, 723, (2017).

[2] Feaga Heather, A., Kopylov, M., Kim Jenny, K., Jovanovic, M. & Dworkin, J. Ribosome Dimerization Protects the Small Subunit. Journal of Bacteriology 202, 10.1128/jb.00009—00020, (2020).

[3] Jiang, W. et al. A transformation clustering algorithm and its application in polyribosomes structural profiling. Nucleic Acids Research 50, 9001—9011, (2022).

[4] Hariharan, N., Ghosh, S. & Palakodeti, D. The story of rRNA expansion segments: Finding functionality amidst diversity. WIREs RNA 14, e1732, (2023).

[5] Schwarz, A. et al. Ribosomal RNA expansion segments mediate the oligomerization of inactive animal ribosomes. Science 391, eadr4287, (2026)

[6] Wu, Y. et al. Translation landscape of stress granules. Science Advances 11, eady6859, (2025).