细胞蛇的相关研究进展

焦冠达，刘 昱

（武汉大学生命科学学院，病毒学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

细胞蛇（cytoophidium）是由代谢酶聚合组建成的无膜的蛇形亚细胞结构，在进化上高度保守，在细胞代谢、增殖和生物体发育等多种重要生命活动中发挥重要作用。细胞蛇的主要组成成分是核苷酸代谢酶胞苷三磷酸合成酶（CTP synthase，CTPS）和肌苷5’ 单磷酸脱氢酶（inosine-5’-monophosphate dehydrogenase，IMPDH）。越来越多的研究表明，细胞蛇组建和解聚在细胞增殖、蛋白代谢及癌症发生中发挥重要作用。

1 细胞蛇结构

2007 年，研究人员首次在果蝇的卵泡细胞和卵母细胞胞质中发现了蛇状结构，将其命名为细胞蛇[1]。通过绿色荧光蛋白的文库筛选，发现果蝇细胞中的CTPS 也呈现出类似的蛇状结构，提示细胞蛇的重要组成成分为CTPS[2]。随后，研究人员在大肠杆菌、酵母、疟原虫、小鼠和人的多种细胞中均发现了细胞蛇结构[3-5]，提示细胞蛇在进化上极为保守，对细胞生存十分重要。2013 年，Labesse 等人在大肠杆菌中表达铜绿假单胞菌的IMPDH 重组蛋白，发现该蛋白在Mg2+和ATP 存在时形成同源八聚体，该八聚体可以进一步形成蛇状的细胞蛇结构[6]。

根据冷冻电镜观察结果，研究人员推测IMPDH聚合形成细胞蛇的过程可分为以下三步[7]：首先单体蛋白聚合形成同源八聚体，这是形成细胞蛇的基本单元；IMPDH 八聚体首尾相接形成链状多聚体；这些链状多聚体继续平行聚合，形成蛇状的细胞蛇，长约3～10μm[7-9]。CTP 形成细胞蛇的过程与IMPDH 类似，但其形成细胞蛇的基本单元是CTPS的同源四聚体[8]。到目前为止，仅发现CTPS 或IMPDH 能组建形成细胞蛇结构，且在同一细胞中可以同时出现CTPS 细胞蛇和IMPDH 细胞蛇[8,10]。

Chang 等人将带有荧光标记的IMPDH 转染HeLa 细胞，并加入谷氨酰胺模拟物6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸（6-diazo-5-oxo-L-norleucine，DON）处理，观察到了其他形态的细胞蛇[10]。除了最常见的位于细胞质中的蛇状细胞蛇之外，可以见到直径约2-5μm 的环状细胞蛇，稍微小一些的戒指状细胞蛇，以及定位于细胞核中的蛇状或环状的核细胞蛇。研究人员发现各种形态的细胞蛇可以互相转换，其中蛇状细胞蛇首尾两端可以融合形成环状细胞蛇，但不同形态的细胞蛇相互转化的具体机制与相应功能尚不清楚。

2 CTPS 和IMPDH 在核苷酸代谢中的作用

CTPS 和IMPDH 都是核苷酸代谢中的关键酶。CTPS 参与三磷酸胞嘧啶核苷酸（CTP）的合成，催化三磷酸尿嘧啶核苷酸（UTP）上的羰基转换成氨基，UTP 转化为CTP[8]。IMPDH 参与鸟嘌呤单核苷酸（GMP）的合成，催化GMP 前体次黄嘌呤核苷酸（IMP）转化为黄嘌呤核苷酸（XMP），随后XMP 在鸟苷酸合成酶催化下转化为GMP；IMPDH 的催化反应过程涉及ATP 的能量转化，该反应是GMP 合成过程中较为关键的限速反应[11]。

3 影响细胞蛇形成的因素

3.1 核酸代谢抑制剂

谷氨酰胺模拟物DON 是核酸合成的多位点抑制剂。在经DON 处理后的多种细胞内，可以观察到大量CTPS 细胞蛇和IMPDH 细胞蛇[8,10,12,13]。麦考酚酸（mycophenolic acid，MPA）和抗病毒药物利巴韦林是IMPDH 的抑制剂，能抑制次黄嘌呤核苷酸(IMP)转化为黄嘌呤核苷酸(XMP)，进而阻碍鸟嘌呤核苷酸(GTP)的合成。在经过MPA 或利巴韦林处理后的细胞内，可以观察到IMPDH 细胞蛇，但无法检测到CTPS 细胞蛇[12]。丙肝病毒感染者在接受干扰素或利巴韦林治疗后会产生抗IMPDH2 细胞蛇结构的抗体[14,15]。上述研究表明，细胞蛇的组建受核酸代谢水平及CTPS/IMPDH 活性的影响。

3.2 发育与细胞活化

果蝇幼虫体内的多种组织中，如中枢神经、唾液腺、卵巢和翅原基等，存在大量CTPS 组建形成的细胞蛇[16]；而与无突变果蝇幼虫相比，CTPS 突变的果蝇幼虫发育出现延迟[17]，提示在果蝇发育过程中CTPS 十分重要，其组建的细胞蛇有可能提高其功能。Jeffrey R 等发现小鼠T 细胞活化后，细胞内的IMPDH 表达量迅速上升，并组建形成细胞蛇[18]；从感染淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒的小鼠体内分离脾脏T 细胞，可以观察到细胞中大量存在由IMPDH聚合形成的细胞蛇，提示在T 细胞活化过程中IMPDH 组建细胞蛇有可能与其功能密切相关。

3.3 营养与温度

果蝇幼虫发育的过程中，从二龄早期到晚期，再到三龄早期，中枢神经系统中含有CTPS 细胞蛇的后胚胎成神经细胞数目逐步递减。将果蝇培养基撤走，对幼虫进行饥饿处理后，果蝇细胞内的CTP细胞蛇数量大量增加；而恢复饲养培养基后，已形成的细胞蛇逐渐解聚。从果蝇提取出对数生长期的S2R+细胞用PBS 培养，细胞内大量出现CTPS 组建形成的细胞蛇[19,20]。上述结果说明细胞亟需营养的状态促进CTPS 细胞蛇的形成。

除此之外，高温和低温均能减少裂殖酵母中细胞蛇的数量[13]。将培养中的裂殖酵母从32°C 转移到0°C 培养5min 后，细胞内CTPS 细胞蛇长度与和数量均出现明显下降。随着低温时间的增长，细胞蛇长度迅速变短，含有CTPS 细胞蛇的细胞比例也显著下降[13]。DON 处理酵母细胞可以诱导CTPS 细胞蛇的形成；但如果随后将温度降到0°C，可以观察到细胞蛇发生解聚，说明DON 诱导CTPS 细胞蛇形成的过程可逆，且DON 无法阻止低温胁迫诱导的细胞蛇解聚。将酵母从32°C 转移到37°C 或42°C 环境下，CTPS 细胞蛇也能发生迅速解聚。上述结果表明，酵母中的CTPS 细胞蛇对温度敏感。

3.4 mTOR 信号通路

细胞内mTOR 信号通路参与调节多种生理活动，如细胞的生长、增殖和代谢等。人结肠癌细胞SW480 中含有大量CTPS 细胞蛇；经mTOR 抑制剂雷帕霉素或依维莫司处理后，CTPS 细胞蛇数量明显下降，能观察到细胞蛇结构的细胞比例也明显下降[21,22]。在稳定敲低mTORC1 或者稳定敲低下游激酶S6K1 的SW480 细胞中，CTPS 细胞蛇的数量与对照组相比出现显著下降，而稳定敲低mTORC2 对细胞蛇数量无明显影响，表明mTORC1-S6K1 信号通路促进CTPS 细胞蛇的形成。

4 细胞蛇与癌症

大量研究表明，核酸代谢酶CTPS 和IMPDH 在结直肠癌、乳腺癌和前列腺癌等多种癌组织中表达量显著增加[23-29]。Gilles 等人利用免疫组化的方法对比45 个人慢性肢端黑色素瘤组织和59 个正常色素痣组织中IMPDH 细胞蛇数量，发现在黑色素瘤细胞中IMPDH 细胞蛇阳性率高于色素痣细胞[30]；在结肠癌细胞SW480、宫颈癌细胞HeLa 和喉癌细胞Hep-2 等多种体外培养的癌细胞中均能发现IMPDH 细胞蛇和CTPS 细胞蛇[8,10,21,22]，提示癌细胞的代谢状态有助于细胞蛇形成。Aughey 等人发现原癌基因Myc 的表达量与CTPS 细胞蛇数量显著相关，敲低Myc 会造成果蝇细胞中的CTPS 细胞蛇数量下降，过表达Myc 则促进细胞蛇的数量上升[31]。临床病理数据显示，在G2 和G3 级肝癌组织中存在较多CTPS 细胞蛇的比率高于G1 和G4 组织[32]，提示细胞蛇的数量可能可以作为癌症发展阶段或预后的一个指标。

5 展望

活细胞包含多种膜性细胞器，磷脂膜将生化反应局限在某一特定区域内有序进行。近年来陆续发现了多种无膜细胞器，也具有浓缩特定生化反应的结构特征，例如细胞核中的Cajal 体和核仁，细胞质中的应激颗粒和P 小体等。细胞蛇结构被发现存在于发育中的果蝇组织、多种人类癌组织和体外培养的癌细胞中，与发育和癌症发展的阶段密切相关。

细胞蛇被发现的时间不长，因此对于细胞蛇结构和功能的了解仍十分有限。细胞蛇作为无膜细胞器，其主要成分是核苷酸代谢相关酶，因此其组建和解聚极有可能与细胞核酸代谢状态相关，但目前还缺乏足够证据。细胞蛇有多种形态，各种形态间的转换机制及与功能之间的关系尚不明确。虽然有证据表明mTOR 信号通路影响细胞蛇的形成，但mTOR 信号通路怎样促进细胞蛇的组建以及生理上的意义尚不明确。除了CTPS 和IMPDH 之外，尚不清楚参与核苷酸代谢的其他酶是否也能在某种细胞状态下组建细胞蛇结构。如上文所述，影响细胞蛇形成的因素很多。细胞内的CTPS 或IMPDH 是否在改变细胞状态或添加刺激时，发生包括磷酸化和泛素化在内的多种修饰？这些翻译后修饰是否影响细胞蛇的组建或解聚？细胞蛇的组建对调节细胞内代谢，维持细胞稳态有何意义？随着对细胞蛇研究的不断深入，这些问题将逐一被解答，为无膜细胞器的结构和功能研究提供新的思路，也有助于更好地理解细胞基础活动及与疾病的联系。