細胞蛇的相關研究進展

焦冠達，劉 昱

（武漢大學生命科學學院，病毒學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072）

細胞蛇（cytoophidium）是由代謝酶聚合組建成的無膜的蛇形亞細胞結構，在進化上高度保守，在細胞代謝、增殖和生物體發(fā)育等多種重要生命活動中發(fā)揮重要作用。細胞蛇的主要組成成分是核苷酸代謝酶胞苷三磷酸合成酶（CTP synthase，CTPS）和肌苷5’ 單磷酸脫氫酶（inosine-5’-monophosphate dehydrogenase，IMPDH）。越來越多的研究表明，細胞蛇組建和解聚在細胞增殖、蛋白代謝及癌癥發(fā)生中發(fā)揮重要作用。

1 細胞蛇結構

2007 年，研究人員首次在果蠅的卵泡細胞和卵母細胞胞質中發(fā)現(xiàn)了蛇狀結構，將其命名為細胞蛇[1]。通過綠色熒光蛋白的文庫篩選，發(fā)現(xiàn)果蠅細胞中的CTPS 也呈現(xiàn)出類似的蛇狀結構，提示細胞蛇的重要組成成分為CTPS[2]。隨后，研究人員在大腸桿菌、酵母、瘧原蟲、小鼠和人的多種細胞中均發(fā)現(xiàn)了細胞蛇結構[3-5]，提示細胞蛇在進化上極為保守，對細胞生存十分重要。2013 年，Labesse 等人在大腸桿菌中表達銅綠假單胞菌的IMPDH 重組蛋白，發(fā)現(xiàn)該蛋白在Mg2+和ATP 存在時形成同源八聚體，該八聚體可以進一步形成蛇狀的細胞蛇結構[6]。

根據(jù)冷凍電鏡觀察結果，研究人員推測IMPDH聚合形成細胞蛇的過程可分為以下三步[7]：首先單體蛋白聚合形成同源八聚體，這是形成細胞蛇的基本單元；IMPDH 八聚體首尾相接形成鏈狀多聚體；這些鏈狀多聚體繼續(xù)平行聚合，形成蛇狀的細胞蛇，長約3～10μm[7-9]。CTP 形成細胞蛇的過程與IMPDH 類似，但其形成細胞蛇的基本單元是CTPS的同源四聚體[8]。到目前為止，僅發(fā)現(xiàn)CTPS 或IMPDH 能組建形成細胞蛇結構，且在同一細胞中可以同時出現(xiàn)CTPS 細胞蛇和IMPDH 細胞蛇[8,10]。

Chang 等人將帶有熒光標記的IMPDH 轉染HeLa 細胞，并加入谷氨酰胺模擬物6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸（6-diazo-5-oxo-L-norleucine，DON）處理，觀察到了其他形態(tài)的細胞蛇[10]。除了最常見的位于細胞質中的蛇狀細胞蛇之外，可以見到直徑約2-5μm 的環(huán)狀細胞蛇，稍微小一些的戒指狀細胞蛇，以及定位于細胞核中的蛇狀或環(huán)狀的核細胞蛇。研究人員發(fā)現(xiàn)各種形態(tài)的細胞蛇可以互相轉換，其中蛇狀細胞蛇首尾兩端可以融合形成環(huán)狀細胞蛇，但不同形態(tài)的細胞蛇相互轉化的具體機制與相應功能尚不清楚。

2 CTPS 和IMPDH 在核苷酸代謝中的作用

CTPS 和IMPDH 都是核苷酸代謝中的關鍵酶。CTPS 參與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）上的羰基轉換成氨基，UTP 轉化為CTP[8]。IMPDH 參與鳥嘌呤單核苷酸（GMP）的合成，催化GMP 前體次黃嘌呤核苷酸（IMP）轉化為黃嘌呤核苷酸（XMP），隨后XMP 在鳥苷酸合成酶催化下轉化為GMP；IMPDH 的催化反應過程涉及ATP 的能量轉化，該反應是GMP 合成過程中較為關鍵的限速反應[11]。

3 影響細胞蛇形成的因素

3.1 核酸代謝抑制劑

谷氨酰胺模擬物DON 是核酸合成的多位點抑制劑。在經DON 處理后的多種細胞內，可以觀察到大量CTPS 細胞蛇和IMPDH 細胞蛇[8,10,12,13]。麥考酚酸（mycophenolic acid，MPA）和抗病毒藥物利巴韋林是IMPDH 的抑制劑，能抑制次黃嘌呤核苷酸(IMP)轉化為黃嘌呤核苷酸(XMP)，進而阻礙鳥嘌呤核苷酸(GTP)的合成。在經過MPA 或利巴韋林處理后的細胞內，可以觀察到IMPDH 細胞蛇，但無法檢測到CTPS 細胞蛇[12]。丙肝病毒感染者在接受干擾素或利巴韋林治療后會產生抗IMPDH2 細胞蛇結構的抗體[14,15]。上述研究表明，細胞蛇的組建受核酸代謝水平及CTPS/IMPDH 活性的影響。

3.2 發(fā)育與細胞活化

果蠅幼蟲體內的多種組織中，如中樞神經、唾液腺、卵巢和翅原基等，存在大量CTPS 組建形成的細胞蛇[16]；而與無突變果蠅幼蟲相比，CTPS 突變的果蠅幼蟲發(fā)育出現(xiàn)延遲[17]，提示在果蠅發(fā)育過程中CTPS 十分重要，其組建的細胞蛇有可能提高其功能。Jeffrey R 等發(fā)現(xiàn)小鼠T 細胞活化后，細胞內的IMPDH 表達量迅速上升，并組建形成細胞蛇[18]；從感染淋巴細胞脈絡叢腦膜炎病毒的小鼠體內分離脾臟T 細胞，可以觀察到細胞中大量存在由IMPDH聚合形成的細胞蛇，提示在T 細胞活化過程中IMPDH 組建細胞蛇有可能與其功能密切相關。

3.3 營養(yǎng)與溫度

果蠅幼蟲發(fā)育的過程中，從二齡早期到晚期，再到三齡早期，中樞神經系統(tǒng)中含有CTPS 細胞蛇的后胚胎成神經細胞數(shù)目逐步遞減。將果蠅培養(yǎng)基撤走，對幼蟲進行饑餓處理后，果蠅細胞內的CTP細胞蛇數(shù)量大量增加；而恢復飼養(yǎng)培養(yǎng)基后，已形成的細胞蛇逐漸解聚。從果蠅提取出對數(shù)生長期的S2R+細胞用PBS 培養(yǎng)，細胞內大量出現(xiàn)CTPS 組建形成的細胞蛇[19,20]。上述結果說明細胞亟需營養(yǎng)的狀態(tài)促進CTPS 細胞蛇的形成。

除此之外，高溫和低溫均能減少裂殖酵母中細胞蛇的數(shù)量[13]。將培養(yǎng)中的裂殖酵母從32°C 轉移到0°C 培養(yǎng)5min 后，細胞內CTPS 細胞蛇長度與和數(shù)量均出現(xiàn)明顯下降。隨著低溫時間的增長，細胞蛇長度迅速變短，含有CTPS 細胞蛇的細胞比例也顯著下降[13]。DON 處理酵母細胞可以誘導CTPS 細胞蛇的形成；但如果隨后將溫度降到0°C，可以觀察到細胞蛇發(fā)生解聚，說明DON 誘導CTPS 細胞蛇形成的過程可逆，且DON 無法阻止低溫脅迫誘導的細胞蛇解聚。將酵母從32°C 轉移到37°C 或42°C 環(huán)境下，CTPS 細胞蛇也能發(fā)生迅速解聚。上述結果表明，酵母中的CTPS 細胞蛇對溫度敏感。

3.4 mTOR 信號通路

細胞內mTOR 信號通路參與調節(jié)多種生理活動，如細胞的生長、增殖和代謝等。人結腸癌細胞SW480 中含有大量CTPS 細胞蛇；經mTOR 抑制劑雷帕霉素或依維莫司處理后，CTPS 細胞蛇數(shù)量明顯下降，能觀察到細胞蛇結構的細胞比例也明顯下降[21,22]。在穩(wěn)定敲低mTORC1 或者穩(wěn)定敲低下游激酶S6K1 的SW480 細胞中，CTPS 細胞蛇的數(shù)量與對照組相比出現(xiàn)顯著下降，而穩(wěn)定敲低mTORC2 對細胞蛇數(shù)量無明顯影響，表明mTORC1-S6K1 信號通路促進CTPS 細胞蛇的形成。

4 細胞蛇與癌癥

大量研究表明，核酸代謝酶CTPS 和IMPDH 在結直腸癌、乳腺癌和前列腺癌等多種癌組織中表達量顯著增加[23-29]。Gilles 等人利用免疫組化的方法對比45 個人慢性肢端黑色素瘤組織和59 個正常色素痣組織中IMPDH 細胞蛇數(shù)量，發(fā)現(xiàn)在黑色素瘤細胞中IMPDH 細胞蛇陽性率高于色素痣細胞[30]；在結腸癌細胞SW480、宮頸癌細胞HeLa 和喉癌細胞Hep-2 等多種體外培養(yǎng)的癌細胞中均能發(fā)現(xiàn)IMPDH 細胞蛇和CTPS 細胞蛇[8,10,21,22]，提示癌細胞的代謝狀態(tài)有助于細胞蛇形成。Aughey 等人發(fā)現(xiàn)原癌基因Myc 的表達量與CTPS 細胞蛇數(shù)量顯著相關，敲低Myc 會造成果蠅細胞中的CTPS 細胞蛇數(shù)量下降，過表達Myc 則促進細胞蛇的數(shù)量上升[31]。臨床病理數(shù)據(jù)顯示，在G2 和G3 級肝癌組織中存在較多CTPS 細胞蛇的比率高于G1 和G4 組織[32]，提示細胞蛇的數(shù)量可能可以作為癌癥發(fā)展階段或預后的一個指標。

5 展望

活細胞包含多種膜性細胞器，磷脂膜將生化反應局限在某一特定區(qū)域內有序進行。近年來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種無膜細胞器，也具有濃縮特定生化反應的結構特征，例如細胞核中的Cajal 體和核仁，細胞質中的應激顆粒和P 小體等。細胞蛇結構被發(fā)現(xiàn)存在于發(fā)育中的果蠅組織、多種人類癌組織和體外培養(yǎng)的癌細胞中，與發(fā)育和癌癥發(fā)展的階段密切相關。

細胞蛇被發(fā)現(xiàn)的時間不長，因此對于細胞蛇結構和功能的了解仍十分有限。細胞蛇作為無膜細胞器，其主要成分是核苷酸代謝相關酶，因此其組建和解聚極有可能與細胞核酸代謝狀態(tài)相關，但目前還缺乏足夠證據(jù)。細胞蛇有多種形態(tài)，各種形態(tài)間的轉換機制及與功能之間的關系尚不明確。雖然有證據(jù)表明mTOR 信號通路影響細胞蛇的形成，但mTOR 信號通路怎樣促進細胞蛇的組建以及生理上的意義尚不明確。除了CTPS 和IMPDH 之外，尚不清楚參與核苷酸代謝的其他酶是否也能在某種細胞狀態(tài)下組建細胞蛇結構。如上文所述，影響細胞蛇形成的因素很多。細胞內的CTPS 或IMPDH 是否在改變細胞狀態(tài)或添加刺激時，發(fā)生包括磷酸化和泛素化在內的多種修飾？這些翻譯后修飾是否影響細胞蛇的組建或解聚？細胞蛇的組建對調節(jié)細胞內代謝，維持細胞穩(wěn)態(tài)有何意義？隨著對細胞蛇研究的不斷深入，這些問題將逐一被解答，為無膜細胞器的結構和功能研究提供新的思路，也有助于更好地理解細胞基礎活動及與疾病的聯(lián)系。