一种新的细胞器——细胞蛇简介

黄俊骏 王华华 梁卫红

(河南师范大学生命科学学院 新乡 453007)

一般认为，细胞器是散布在细胞质内具有一定形态和功能的微结构或微器官。随着高分辨率和高质量的新成像技术、基因组研究、现代生物技术的广泛应用，人们对细胞器的认识已从细胞核、线粒体、核糖体、高尔基体等已知的结构转向未知的、未发现的微结构。在此基础上，科学家发现了细胞膜纳米管、微型工厂、货物运载工具以及最近发现的细胞蛇(cytoophidia)等新的细胞结构。

1 细胞蛇的发现

2010年，3个研究小组独立地报道在果蝇、细菌和芽殖酵母细胞中发现了由核苷酸代谢发挥关键作用的CTP合成酶在细胞里会聚合在一起，形成细长的蛇形结构，科学家将这种丝状结构称作“胞内蛇”(cell serpent或cytoophidia)，源自希腊语“cyto”(细胞)和“ophidium”(蛇)[1]。次年，在人类细胞中也发现了细胞蛇的存在[2]。细胞蛇普遍存在于从细菌到人的细胞中，而30亿年前，细菌和人类细胞的祖先在进化树上就已经分离，说明细胞蛇在进化过程中是高度保守的。

2 细胞蛇的特征

细胞蛇的组装如同微丝的组装过程一样，分为5个步骤：核化、延伸、融合、成束和环化[3]。首先在细胞质内同时形成众多的核化位点，并开始延伸，当延伸至数微米时，小的动态的细胞蛇形成，这时进入到融合阶段，包括头对头融合和边对边融合。前者细胞蛇的长度增加而宽度不变，后者是宽度变厚而长度不增加。当融合数次后，中等大小的细胞蛇开始成束，细胞蛇变得又长又粗，有的甚至开始环化，于是就形成了具有生物学功能的细胞蛇。

细胞蛇具有3个特征：①丝状结构(相对于球形结构如P小体、U小体)；②通常含有代谢酶(有别于经典细胞骨架的微管、微丝和中间丝)；③缺乏膜(不同于传统的由膜包被的细胞器如内质网、高尔基体、线粒体和纤毛)。细胞蛇如同细胞质的U小体和P小体、细胞核里的柯哈小体(Cajal body)和组蛋白基因位点小体(histone locus body)等，都是没有膜的细胞器。众所周知，细胞内区室化使得细胞内能够同时进行多种化学反应而不会相互干扰，保证了细胞的生命活动高效、有序地进行。但在原核生物和真核生物中发现的无膜细胞蛇，对于理解细胞内的代谢可能具有更为深刻和重要的作用。

3 细胞蛇的功能

细胞蛇广泛存在于不同的细胞，并存在于细胞内不同的部位，这意味着它可能参与到细胞组织功能的一些基本机制中。现有的研究结果表明：细胞蛇在生物体代谢、发育以及细胞增殖等过程中起着非常重要的作用，尤为瞩目的是与疾病的潜在联系。例如，在大肠杆菌、芽殖酵母中，细胞蛇具有类似细胞骨架的功能，和中间丝共同作用来维持细胞的形态[4]；细胞蛇能快速的改变蛋白酶的生物学活性，亦能延长蛋白的寿命，进而达到参与代谢调控的目的[5]；在细胞增殖方面，细胞蛇能加速细胞的快速增殖，尤其是干细胞和癌细胞[6]；在果蝇幼虫中，细胞蛇的解聚能抑制已经被激活的神经母细胞的发育[5]；同时细胞蛇能促使细胞适应各种压力，如在营养丰富的情况下，细胞蛇会变大、出现的频率更高；在酵母中，热刺激能促使细胞蛇片段化，而冷胁迫则减少片段化的细胞蛇[7]；在许多癌症(如白血病、肝细胞瘤和结肠癌等)中，都表现出一个重要的特征：即CTP合成酶活性增加和CTP水平失控[8]；在果蝇中，当敲除CTP合成酶基因后能降低肿瘤的形成[9]；发现CTP合成酶1对淋巴细胞增殖非常关键[10]。最新的研究数据表明，原癌基因Myc调控CTP合成酶组装成细胞蛇，而细胞蛇可以快速让酶活性降低，同时CTP合成酶又影响Myc介导的对细胞大小的控制[11]。

4 结语

目前，对细胞蛇的研究尚处于起步阶段，虽然人们对于细胞蛇的作用及其重要意义的认识还不够深刻，但是已有的研究成果表明细胞蛇是确实存在的一个新的无膜细胞器，具有重大的医学意义，特别是与癌症的关系。此外，在芽殖酵母中，还观察到越来越多的代谢酶能形成细胞蛇或同类结构，细胞蛇是动态的结构，与代谢状态和环境条件有关[12]，而这些代谢酶大多集中在与翻译起始、葡萄糖和氮代谢相关的几个通路上。例如，次黄嘌呤单核苷酸脱氢酶(IMPDH)是嘌呤生物合成的关键酶，GTP合成的限速反应由IMPDH催化。有意思的是，IMPDH也形成丝状结构，非常类似CTP合成酶的细胞蛇，研究表明这两种细胞蛇相互独立又互相作用[13]。许多疑问值得进一步研究：如众多的代谢酶在什么特定条件下，为什么、怎样会以及如何形成细胞蛇？细胞蛇还有哪些功能？因此，研究细胞蛇的结构和功能将成为细胞生物学研究的最新前沿领域之一。