综述：纤维蛋白原的分子多样性与功能作用：锥虫及其他模式生物的比较研究

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Molecular Diversity and Functional Roles of Fibrillarin: Comparative Insights Across Trypanosomatids and Other Model Organisms

纤核糖体蛋白（fibrillarin）作为小核核糖核蛋白复合体（snoRNP）的催化核心，不仅参与核糖体RNA的2'-O-甲基化修饰，还在染色质组织、RNA surveillance及应激适应中发挥多功能作用。研究揭示其结构域（GAR和MT）的进化分化，尤其是锥虫类（Trypanosomatids）中存在多同源基因和复杂snoRNA调控体系，导致rRNA甲基化模式的高度特异性。本文系统总结了fibrillarin的结构特征、功能多样性及其在早期分支真核生物中的进化适应，并探讨了其在核仁动态组织及跨细胞区室调控中的潜在机制。

　　Fibrillarin 是一种在所有真核生物中高度保守的核仁蛋白，同时也是 box C/D 小核仁核糖核蛋白（snoRNP）复合物的核心催化成分。这一蛋白在核糖体 RNA（rRNA）的特定位点进行 2′-O-甲基化修饰，是 rRNA 修饰过程中的关键参与者。然而，近年来的研究发现，Fibrillarin 的功能不仅限于核糖体的生物合成，还参与了染色质组织、RNA 监控以及应激适应等更广泛的细胞过程，这表明其具有多样的功能特性。在某些原生生物中，例如锥虫类（trypanosomatids），Fibrillarin 显示出显著的分子多样性。这些生物编码多达三个 Fibrillarin 的同源蛋白，虽然它们的催化结构域保持高度保守，但调控特性却表现出显著差异，暗示着这些同源蛋白可能具有不同的功能分工。此外，锥虫类还具有异常丰富的 box C/D snoRNA 以及特有线系的 rRNA 甲基化模式，这表明它们在核糖体异质性调控方面可能具有更复杂的机制。本文旨在总结 Fibrillarin 在真核生物中的结构和功能特性，特别关注其在锥虫类中的最新研究进展。通过整合分子和进化视角，本文强调了几个关键的研究空白，例如同源蛋白的特化功能、snoRNP 的组成特征以及可能的非核糖体相关功能，并提出了可能揭示核仁组织新原理以及早期分支真核生物选择性翻译调控的研究方向。

核糖体是所有生物细胞中负责蛋白质合成的大型分子复合物。它们由两个亚基组成，大亚基和小亚基，均包含 RNA 和蛋白质。在真核生物中，这两个亚基均在核仁中合成，随后被运输到细胞质中，组装成具有功能的核糖体。核糖体的生物合成是一个高度协调且复杂的进程，涉及核糖体 RNA（rRNA）、核糖体蛋白以及众多辅助因子，包括 RNA 修饰酶和组装蛋白。在大多数真核细胞中，主要的 rRNA 基因由 RNA 聚合酶 I 转录，几乎没有例外。独立的转录单元产生一个大的前体分子，该分子经过内切核酸酶加工生成成熟的 rRNA，随后被整合到两个核糖体亚基中。相比之下，5S rRNA 是一种较小的 RNA 分子，由 RNA 聚合酶 III 转录。除了加工过程外，前体 rRNA 还必须经历广泛的化学修饰才能成为功能性的核糖体 RNA。其中两种标志性修饰，2′-O-甲基化和假尿苷化，是由小核仁核糖核蛋白复合物（snoRNPs）催化的。根据其关联 snoRNA 中的保守序列结构，snoRNPs 被分为两大类：box C/D snoRNPs 和 box H/ACA snoRNPs。编码核糖体蛋白的 mRNA 则由 RNA 聚合酶 II 转录，随后被运输到细胞质中进行翻译。翻译后产生的核糖体蛋白被导入细胞核，与 rRNA 在核仁和核质中组装成前体核糖体亚基，随后被运输到细胞质中进一步成熟为功能性核糖体。

在真核生物中，原生生物谱系显示出最广泛的生理多样性。将这些原生生物的生物学特性与模式后生动物（如酵母和哺乳动物细胞）进行比较，可以为探索进化动态提供一个丰富的框架，并有助于填补我们对基本蛋白——如 Fibrillarin——如何在真核生物进化过程中多样化和适应的认知空白。核仁是位于细胞核内的无膜结构，由蛋白质和 RNA 组成。它们的形成依赖于液-液相分离，这一过程由具有内源无序区域的蛋白质驱动，如 Fibrillarin 和核仁蛋白（nucleolin）。核仁围绕核糖体 DNA（rDNA）位点组织，尽管它们并非膜结构，但一些信号脂质如磷脂酰肌醇（phosphoinositides）已被鉴定为存在于核仁中，这表明它们可能在核仁功能调控中发挥重要作用。在大多数生物中，核仁可以分为两个主要成分：纤维状成分（包含 Fibrillarin 并参与前体 rRNA 的加工）和颗粒状成分，后者负责核糖体亚基的组装。在爬行类动物（不包括龟类）中，核仁可以进一步分为三个区域：纤维状中心（rDNA 转录起始位点）、致密纤维状成分（包含 Fibrillarin 并参与前体 rRNA 的加工）和颗粒状成分（负责核糖体亚基的成熟）。

除了作为核糖体生物合成的中心场所，核仁还扮演着动态组织细胞核结构以及整合代谢和信号通路的应激响应枢纽的角色。在核仁的关键组成成分中，Fibrillarin 突出地作为一个经典的核仁标志物和多功能蛋白受到广泛关注。Fibrillarin 的名称反映了其在致密纤维状成分中的高丰度，其在 rRNA 加工和化学修饰中发挥核心作用。特别是，Fibrillarin 是负责 rRNA 2′-O-甲基化修饰的核心蛋白。然而，越来越多的证据表明，Fibrillarin 还参与了更广泛的核仁动态调控，包括染色质组织和应激适应。尽管之前的一些进化基因组学研究已经确立了 Fibrillarin 在生命三大域中的高度保守性，但针对其在早期分支真核生物中，如锥虫类，的分子多样性、调控相互作用和亚细胞动态的具体研究仍然较少。传统上，Fibrillarin 被认为是一种高度丰富的核仁蛋白，专门参与前体 rRNA 的加工。然而，现在我们认识到，Fibrillarin 在更广泛的背景下具有多样的功能，包括参与核仁以及细胞质中的调控过程。在此背景下，Fibrillarin 出现为一种多功能蛋白，不仅参与核仁内的过程，还可能参与细胞核外的活动。为了应对这一研究空白，并基于 Fibrillarin 在核糖体生物合成和核仁组织中的核心作用，本文将深入探讨其结构和功能特性。

在传统的观点中，Fibrillarin 的活性依赖于其保守的结构域和功能基序。该蛋白由两个主要结构域组成：富含甘氨酸和精氨酸（GAR）结构域以及甲基转移酶（MT）结构域。GAR 结构域不仅促进了核和核仁的定位，还介导了蛋白质- RNA 和蛋白质-蛋白质之间的相互作用，这些相互作用通过液-液相分离推动了核仁的形成。这一现象在 Fibrillarin 的 N 端低复杂度区域中得到了验证。在某些情况下，Fibrillarin 的结构域和功能基序的多样性可能与其在不同生物体中的适应性相关。例如，在植物和人类中，Fibrillarin 的 GAR 结构域在序列和长度上表现出较大的差异，而在其他生物中，如锥虫类，这一结构域可能具有不同的调控机制。这种结构域的多样性可能反映了 Fibrillarin 在不同进化路径中的适应性演化。此外，MT 结构域在大多数真核生物中高度保守，表明其在 rRNA 甲基化修饰中的核心作用。在 MT 结构域中，可以识别出几个保守的基序，包括催化位点、稳定 S-腺苷甲硫氨酸（AdoMet）的基序、RNA 结合和折叠基序以及钙结合位点。这些基序的保守性可能与其在不同生物体中的功能一致性有关，而其结构域的多样性则可能与其在不同进化路径中的适应性演化相关。

在锥虫类中，Fibrillarin 的结构和功能表现出显著的多样性。例如，在锥虫类中，大多数物种编码两个 Fibrillarin 同源蛋白，分别称为 Fibrillarin 1 和 Fibrillarin 2。然而，某些锥虫类如布氏锥虫（*Trypanosoma brucei*）及其衍生的埃氏锥虫（*Trypanosoma evansi*）则编码三个 Fibrillarin 基因。这种结构上的差异可能与其在不同物种中的功能分工相关。此外，锥虫类还具有异常丰富的 snoRNA 以及特有线系的 rRNA 甲基化模式，这表明它们在核糖体异质性调控方面可能具有更复杂的机制。在这些生物中，snoRNA 引导的 rRNA 甲基化不仅限于保守的 rRNA 区域，还可能涉及不同的调控网络，这为研究核糖体异质性的调控提供了新的视角。这种结构和功能上的多样性可能反映了 Fibrillarin 在锥虫类中的适应性演化，以及其在不同进化路径中的功能特化。

在一些研究中，Fibrillarin 的 RNA 酶活性和磷脂结合能力也被发现。例如，人类 Fibrillarin（HsFib1）和拟南芥 Fibrillarin 1 和 2（AtFib1 和 AtFib2）均表现出 RNA 酶活性。其中，AtFib2 和 HsFib1 的 RNA 酶活性较为相似，而 AtFib1 的活性则相对较低。此外，Fibrillarin 的 RNA 酶活性可能受到钙离子和磷脂酰肌醇的调控。例如，在 HsFib1 和 AtFib2 中，钙离子的加入可以增强其 RNA 酶活性，而磷脂酰肌醇则可能对其活性产生抑制作用。这种调控机制可能反映了 Fibrillarin 在不同生物体中的功能适应性，以及其在细胞调控网络中的重要性。此外，Fibrillarin 的核定位信号（NLS）也引起了研究兴趣。尽管 GAR 结构域被认为是 Fibrillarin 核定位的主要决定因素，但越来越多的证据表明，可能存在多个部分重叠的核导入机制。例如，在 HeLa 细胞中，缺乏 GAR 结构域的 Fibrillarin 突变体仍然表现出部分核定位能力，而在拟南芥中，缺失一半 GAR 结构域的 AtFib1 突变体仍保留一定的核定位能力。这些发现可能提示 Fibrillarin 的核定位不仅仅依赖于 GAR 结构域，还可能涉及其他调控机制。

在锥虫类中，Fibrillarin 的同源蛋白和 snoRNA 的多样性可能与其在核糖体异质性调控中的重要性相关。例如，在锥虫类中，snoRNA 引导的 rRNA 甲基化不仅限于保守的 rRNA 区域，还可能涉及不同的调控网络，这为研究核糖体异质性的调控提供了新的视角。这种结构和功能上的多样性可能反映了 Fibrillarin 在锥虫类中的适应性演化，以及其在不同进化路径中的功能特化。此外，Fibrillarin 的 RNA 酶活性和磷脂结合能力可能与其在细胞调控网络中的重要性相关。例如，在人类和拟南芥中，Fibrillarin 的 RNA 酶活性可能受到钙离子和磷脂酰肌醇的调控，这可能反映了其在不同生物体中的功能适应性。这种功能上的多样性可能提示 Fibrillarin 在不同进化路径中的功能分化，以及其在细胞调控网络中的重要性。

rRNA 的甲基化是核糖体异质性和翻译调控的关键因素。在一些研究中，rRNA 甲基化模式在生理过程中表现出动态变化，例如在小鼠细胞分化和人类胚胎干细胞中，这些变化可能调节翻译效率，并影响细胞的多能性维持。此外，异常的 rRNA 甲基化模式已被与癌症相关联，并且通常伴随着 Fibrillarin 的异常表达。这可能提示 Fibrillarin 在某些疾病状态下的重要性，以及其在细胞调控网络中的关键作用。因此，研究 Fibrillarin 的功能特性不仅有助于理解核糖体生物合成的调控机制，还可能揭示其在细胞应激响应、疾病发展以及翻译调控中的重要作用。

综上所述，Fibrillarin 是一种在真核生物中高度保守的多功能蛋白，其在核糖体生物合成、核仁组织、染色质调控以及细胞应激响应中均发挥重要作用。然而，其功能的多样性也提示我们，Fibrillarin 在不同生物体中的调控机制可能存在差异。特别是在锥虫类中，Fibrillarin 的同源蛋白和 snoRNA 的多样性可能与其在核糖体异质性调控中的重要性相关。因此，进一步研究 Fibrillarin 的结构和功能特性，特别是在不同进化路径中的适应性演化，将有助于揭示其在细胞调控网络中的核心作用，并为理解核仁组织的复杂性提供新的视角。此外，研究 Fibrillarin 在不同生物体中的功能分化，以及其在细胞应激响应和疾病发展中的作用，将有助于揭示其在细胞调控中的关键地位，并为开发新的治疗策略提供理论基础。