第四节 　 核 　 仁

核仁(nucleolus)是真核细胞间期核中出现的最明显的结构，在光学显微镜下清晰可见。核仁随细胞有丝分裂的进行表现出周期性的消失和重建。核仁的形态、数目、大小、位置，随生物体的种类、细胞的类型及生理状态的变化而不同。核仁通常为匀质的球形小体。每个细胞核中一般有1~2个核仁，但也可能有多个。在蛋白质合成旺盛、生长活跃的分泌细胞和卵母细胞中核仁较大，其体积可达细胞核的25％；在蛋白质合成不活跃的精子细胞和肌肉细胞中核仁很小或没有。核仁在细胞中的位置不固定，可以位于任何部位，但在生长比较旺盛的细胞中，发生“核仁趋边”现象，常位于细胞核的边缘，这可能有利于核内外物质的交换。核仁主要是rRNA合成、加工和核糖体亚基的装配场所。

一、核仁的组成成分

   核仁的主要化学组成为DNA、RNA、酶类和蛋白质等，还含有微量脂类，其含水量较核内其他组分少。其中蛋白质约占80％，DNA约占8％，RNA约占11％，这三种成分的含量依细胞类型和生理状态而异。核仁的蛋白质包括组蛋白、核糖体蛋白、非组蛋白等多种蛋白质和碱性磷酸酶、核苷酸酶、ATP酶、RNA聚合酶等参与核仁生理功能的酶类。核仁中的RNA含量约占核仁干重的10％，变动范围在3％~13％，在RNA转录及蛋白质合成旺盛的细胞中含量较高。核仁的蛋白质常与RNA结合形成核糖核蛋白。核仁中的DNA主要是存在于核仁染色质(nucleolarchromatin)中的DNA。

二、核仁的形态结构

在光镜下，核仁是具有较强的折光性的匀质球体，易被某些碱性或酸性染料着色。在电镜下，核仁是裸露无膜的纤维网状结构，具有核仁周期，即在细胞分裂期解体，在间期重新装配。核仁的超微结构包括3个不完全分隔的区域：纤维中心；致密纤维组分；颗粒成分(图７Ｇ４Ｇ１)。

图 ７Ｇ４Ｇ１　 人的成纤维细胞的核仁电镜照片 (摘自 AlbertsB , ２００２ )

(一)纤维中心

纤维中心(fibrillarcenter，FC)是被致密纤维组分不同程度包围的一个低电子密度的圆形区域，它是rRNA基因rDNA的存在部位。人类rDNA由13、14、15、20、22号染色体伸出的DNA袢环组成。袢环上的rRNA基因串联排列，进行高速转录，产生rRNA，组织形成核仁。每一个rRNA基因的袢环称为一个核仁组织者。人类10条染色体上含有rRNA基因，它们共同组成的区域称为核仁组织区(图７Ｇ４Ｇ２)。

图 ７Ｇ４Ｇ２　 人的间期细胞核仁组织区及 １０ 条染色体的 rDNA 袢环

(二)致密纤维组分

致密纤维组分(densefibrillarcomponent)是电镜下位于核仁浅染区周围的核仁内电子密度最高的区域。它染色深，呈环形或半月形分布，由紧密排列的直径为5~10nm的纤维丝组成，长度20~40nm，构成核仁的海绵状网架，主要含有正在转录的rRNA分子，此外，该区域还存在核糖体蛋白和一些特异性的RNA结合蛋白，如核仁素、核仁纤维蛋白等，用RNA酶及蛋白酶可将该区域的纤维丝消化。

(三)颗粒成分

核仁中的颗粒成分(granularcomponent)是电子密度较大的致密颗粒，颗粒直径１5~20nm，分布于致密纤维组分之间和外侧直到核仁的边缘。该区域是rRNA基因的转录产物进一步加工成熟的部位。这些颗粒组分主要是由rRNA和蛋白质组成的核糖核蛋白颗粒，是处于不同阶段的核糖体亚基前体。间期核仁的大小主要由颗粒组分数量的多少来决定。

除上述３种核仁的基本组分外，在核仁中还可见到包围在核仁周围的异染色质，称为核仁周围染色质，它们与含rDNA的常染色质统称为核仁相随染色质。另外，核仁中还含有一些无定形的蛋白质性液体物质称为核仁基质。核仁基质电子密度低，与核基质相连通。

 

三、核仁的功能

核仁是rRNA合成、加工及核糖体亚单位装配的场所。真核生物中４种RNA，除５SrRNA在核仁外染色体上合成，其余均在核仁内合成。构成核糖体亚单位的80余种蛋白质在细胞质中合成后均被转移至核仁，在此装配成核糖体大、小亚基，再经过核孔复合体转运到细胞质中参与蛋白质的合成。

(一)rRNA合成的活动中心

真核生物对核糖体的需求量特别大，处于生长中的细胞一般拥有107个核糖体以保证蛋白质合成机制的正常运转。与之相对应，RNA基因数量非常多，并可以高度有效地转录。人类的单倍体细胞中约含有200个rRNA基因拷贝，每个基因都可转录出长度为13000bp的初始转录产物。rRNA基因串联重复排列在DNA袢环上，集中分布于核仁组织区。这种组织方式和高密度分布使RNA聚合酶I能连续动作，在完成前一个基因转录后直接活化下一个基因的转录，保证转录的高效进行。核仁的核心部分有缠在一起的一根长DNA纤维，称为轴纤维，沿轴纤维长轴垂直方向，伸展出一系列的新生rRNA链，沿转录方向，其长度逐渐增长。

(二)核糖体大小亚基的装配工厂

真核细胞中由核仁内新合成的45SrRNA前体很快与来自胞质的80余种蛋白质结合，形成核糖体蛋白复合体，之后在酶的催化下，失去一些蛋白质和RNA，裂解形成28SrRNA、18SrRNA和58SrRNA。208SrRNA、58SrRNA与来自核仁外的5SrRNA和46种蛋白质装配成60S大亚基；18SrRNA与来自核仁外的33种蛋白质装配成40S小亚基。在核仁中形成的大、小亚基被运输到细胞质，进一步装配成功能核糖体(图７Ｇ４Ｇ３)。

图 ７Ｇ４Ｇ３　 核糖体亚单位的组装

四、核仁周期与细胞周期的关系

核仁是一个高度动态的结构，其结构与功能随细胞的周期性变化而变化。在细胞周期中，核仁出现的周期性变化，称为核仁周期(nucleolarcycle)。细胞进入有丝分裂时，核仁逐渐变小，随着染色质凝集，rRNA合成停止，DNA袢环逐渐收缩回相应染色体的核仁组织区，至分裂中期和后期核仁消失，到分裂末期核仁组织区的DNA解螺旋，rRNA重新开始合成，组成核仁的物质重新聚集，形成数个分散的前核仁体，于染色体核仁组织区附近融合成极小的核仁，进一步融合形成核仁。

核仁周期变化的分子机制尚不明确。研究表明，rRNA基因活性和RNA聚合酶I在间期细胞核仁的维持和有丝分裂后核仁的重建起着重要作用，而原有的核仁组分可能起着一定的协助作用。