一種新的細(xì)胞器
——細(xì)胞蛇簡(jiǎn)介

黃俊駿 王華華 梁衛(wèi)紅

(河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 新鄉(xiāng) 453007)

一般認(rèn)為，細(xì)胞器是散布在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)具有一定形態(tài)和功能的微結(jié)構(gòu)或微器官。隨著高分辨率和高質(zhì)量的新成像技術(shù)、基因組研究、現(xiàn)代生物技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)細(xì)胞器的認(rèn)識(shí)已從細(xì)胞核、線粒體、核糖體、高爾基體等已知的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向未知的、未發(fā)現(xiàn)的微結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞膜納米管、微型工廠、貨物運(yùn)載工具以及最近發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞蛇(cytoophidia)等新的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

1 細(xì)胞蛇的發(fā)現(xiàn)

2010年，3個(gè)研究小組獨(dú)立地報(bào)道在果蠅、細(xì)菌和芽殖酵母細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了由核苷酸代謝發(fā)揮關(guān)鍵作用的CTP合成酶在細(xì)胞里會(huì)聚合在一起，形成細(xì)長(zhǎng)的蛇形結(jié)構(gòu)，科學(xué)家將這種絲狀結(jié)構(gòu)稱(chēng)作“胞內(nèi)蛇”(cell serpent或cytoophidia)，源自希臘語(yǔ)“cyto”(細(xì)胞)和“ophidium”(蛇)[1]。次年，在人類(lèi)細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞蛇的存在[2]。細(xì)胞蛇普遍存在于從細(xì)菌到人的細(xì)胞中，而30億年前，細(xì)菌和人類(lèi)細(xì)胞的祖先在進(jìn)化樹(shù)上就已經(jīng)分離，說(shuō)明細(xì)胞蛇在進(jìn)化過(guò)程中是高度保守的。

2 細(xì)胞蛇的特征

細(xì)胞蛇的組裝如同微絲的組裝過(guò)程一樣，分為5個(gè)步驟：核化、延伸、融合、成束和環(huán)化[3]。首先在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)同時(shí)形成眾多的核化位點(diǎn)，并開(kāi)始延伸，當(dāng)延伸至數(shù)微米時(shí)，小的動(dòng)態(tài)的細(xì)胞蛇形成，這時(shí)進(jìn)入到融合階段，包括頭對(duì)頭融合和邊對(duì)邊融合。前者細(xì)胞蛇的長(zhǎng)度增加而寬度不變，后者是寬度變厚而長(zhǎng)度不增加。當(dāng)融合數(shù)次后，中等大小的細(xì)胞蛇開(kāi)始成束，細(xì)胞蛇變得又長(zhǎng)又粗，有的甚至開(kāi)始環(huán)化，于是就形成了具有生物學(xué)功能的細(xì)胞蛇。

細(xì)胞蛇具有3個(gè)特征：①絲狀結(jié)構(gòu)(相對(duì)于球形結(jié)構(gòu)如P小體、U小體)；②通常含有代謝酶(有別于經(jīng)典細(xì)胞骨架的微管、微絲和中間絲)；③缺乏膜(不同于傳統(tǒng)的由膜包被的細(xì)胞器如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體和纖毛)。細(xì)胞蛇如同細(xì)胞質(zhì)的U小體和P小體、細(xì)胞核里的柯哈小體(Cajal body)和組蛋白基因位點(diǎn)小體(histone locus body)等，都是沒(méi)有膜的細(xì)胞器。眾所周知，細(xì)胞內(nèi)區(qū)室化使得細(xì)胞內(nèi)能夠同時(shí)進(jìn)行多種化學(xué)反應(yīng)而不會(huì)相互干擾，保證了細(xì)胞的生命活動(dòng)高效、有序地進(jìn)行。但在原核生物和真核生物中發(fā)現(xiàn)的無(wú)膜細(xì)胞蛇，對(duì)于理解細(xì)胞內(nèi)的代謝可能具有更為深刻和重要的作用。

3 細(xì)胞蛇的功能

細(xì)胞蛇廣泛存在于不同的細(xì)胞，并存在于細(xì)胞內(nèi)不同的部位，這意味著它可能參與到細(xì)胞組織功能的一些基本機(jī)制中?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明：細(xì)胞蛇在生物體代謝、發(fā)育以及細(xì)胞增殖等過(guò)程中起著非常重要的作用，尤為矚目的是與疾病的潛在聯(lián)系。例如，在大腸桿菌、芽殖酵母中，細(xì)胞蛇具有類(lèi)似細(xì)胞骨架的功能，和中間絲共同作用來(lái)維持細(xì)胞的形態(tài)[4]；細(xì)胞蛇能快速的改變蛋白酶的生物學(xué)活性，亦能延長(zhǎng)蛋白的壽命，進(jìn)而達(dá)到參與代謝調(diào)控的目的[5]；在細(xì)胞增殖方面，細(xì)胞蛇能加速細(xì)胞的快速增殖，尤其是干細(xì)胞和癌細(xì)胞[6]；在果蠅幼蟲(chóng)中，細(xì)胞蛇的解聚能抑制已經(jīng)被激活的神經(jīng)母細(xì)胞的發(fā)育[5]；同時(shí)細(xì)胞蛇能促使細(xì)胞適應(yīng)各種壓力，如在營(yíng)養(yǎng)豐富的情況下，細(xì)胞蛇會(huì)變大、出現(xiàn)的頻率更高；在酵母中，熱刺激能促使細(xì)胞蛇片段化，而冷脅迫則減少片段化的細(xì)胞蛇[7]；在許多癌癥(如白血病、肝細(xì)胞瘤和結(jié)腸癌等)中，都表現(xiàn)出一個(gè)重要的特征：即CTP合成酶活性增加和CTP水平失控[8]；在果蠅中，當(dāng)敲除CTP合成酶基因后能降低腫瘤的形成[9]；發(fā)現(xiàn)CTP合成酶1對(duì)淋巴細(xì)胞增殖非常關(guān)鍵[10]。最新的研究數(shù)據(jù)表明，原癌基因Myc調(diào)控CTP合成酶組裝成細(xì)胞蛇，而細(xì)胞蛇可以快速讓酶活性降低，同時(shí)CTP合成酶又影響Myc介導(dǎo)的對(duì)細(xì)胞大小的控制[11]。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，對(duì)細(xì)胞蛇的研究尚處于起步階段，雖然人們對(duì)于細(xì)胞蛇的作用及其重要意義的認(rèn)識(shí)還不夠深刻，但是已有的研究成果表明細(xì)胞蛇是確實(shí)存在的一個(gè)新的無(wú)膜細(xì)胞器，具有重大的醫(yī)學(xué)意義，特別是與癌癥的關(guān)系。此外，在芽殖酵母中，還觀察到越來(lái)越多的代謝酶能形成細(xì)胞蛇或同類(lèi)結(jié)構(gòu)，細(xì)胞蛇是動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)，與代謝狀態(tài)和環(huán)境條件有關(guān)[12]，而這些代謝酶大多集中在與翻譯起始、葡萄糖和氮代謝相關(guān)的幾個(gè)通路上。例如，次黃嘌呤單核苷酸脫氫酶(IMPDH)是嘌呤生物合成的關(guān)鍵酶，GTP合成的限速反應(yīng)由IMPDH催化。有意思的是，IMPDH也形成絲狀結(jié)構(gòu)，非常類(lèi)似CTP合成酶的細(xì)胞蛇，研究表明這兩種細(xì)胞蛇相互獨(dú)立又互相作用[13]。許多疑問(wèn)值得進(jìn)一步研究：如眾多的代謝酶在什么特定條件下，為什么、怎樣會(huì)以及如何形成細(xì)胞蛇？細(xì)胞蛇還有哪些功能？因此，研究細(xì)胞蛇的結(jié)構(gòu)和功能將成為細(xì)胞生物學(xué)研究的最新前沿領(lǐng)域之一。