細(xì)胞蛇的研究進(jìn)展

李欣玲,張櫻馨,李進(jìn)蘭,潘文鑫,王彥鳳,楊麗蓉,王 通,俞曉麗

(寧夏醫(yī)科大學(xué)生育力保持教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室臨床醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,中國寧夏 銀川 750000)

2007年,英國牛津大學(xué)的劉驥隴等在研究果蠅U小體和P小體(U小體和P小體是真核生物細(xì)胞質(zhì)中的無膜細(xì)胞器)的功能關(guān)系時(shí),用4種針對Cup(P小體中的一種蛋白質(zhì))的抗體,對雌性果蠅的卵巢組織進(jìn)行免疫組織化學(xué)染色,染色結(jié)果除了預(yù)期標(biāo)記上的P小體外,還標(biāo)記出了長條形的絲狀結(jié)構(gòu)[1]。這種結(jié)構(gòu)的形狀和數(shù)量與纖毛很相似,導(dǎo)致當(dāng)時(shí)以為在果蠅中找到了有纖毛的新細(xì)胞類型。但后來的一系列實(shí)驗(yàn)表明,該結(jié)構(gòu)與纖毛沒有關(guān)系,于是將其命名為“細(xì)胞蛇”。最初是抗Cup抗體不純產(chǎn)生假象,意外發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞蛇,而采用親和層析純化后的抗Cup抗體無法再標(biāo)記細(xì)胞蛇,這證明Cup蛋白并不存在于細(xì)胞蛇內(nèi)。為了尋找細(xì)胞蛇的標(biāo)志蛋白質(zhì),科研人員經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證,最終在2010年,確定果蠅中細(xì)胞蛇的主要組分是三磷酸胞苷合成酶(cytidine triphosphate synthetase,CTPS);同年,另外兩個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn),細(xì)菌和芽殖酵母細(xì)胞中也具有類似蛇形的細(xì)長結(jié)構(gòu),其主要由核苷酸代謝過程中的CTPS在細(xì)胞中聚合而成,于是將這種結(jié)構(gòu)稱為“胞內(nèi)蛇”(cellular serpent或cytoophidium),也稱細(xì)胞蛇[2～3]。

2011年,研究人員在小鼠和人類細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞蛇的存在,其結(jié)構(gòu)不僅可以由CTPS形成,也可以由肌苷一磷酸脫氫酶(inosine monophosphate dehydrogenase,IMPDH)等形成[4]。IMPDH 可以催化三磷酸鳥苷(guanosine triphosphate,GTP)從頭合成[5],并組裝成類似CTPS形成的絲狀細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)[4]。2013年,果蠅中的研究發(fā)現(xiàn),雖然CTPS有3種亞型,分別為A、B、C亞型,但只有C亞型參與了細(xì)胞蛇形成;同時(shí),果蠅卵巢的每個(gè)卵泡細(xì)胞中有且只有1根細(xì)胞蛇,每個(gè)卵室中的細(xì)胞蛇長度相似,這個(gè)特點(diǎn)使得卵泡細(xì)胞成為研究細(xì)胞蛇的理想模型[6]。2014年,相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),大腸桿菌中CTPS聚合會抑制CTPS的活性,且CTPS的絲狀合成是核苷酸穩(wěn)態(tài)所必需的,破壞后將影響細(xì)菌的生長和代謝[7～8]。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)CTPS過表達(dá)時(shí),細(xì)胞蛇的動態(tài)形成可以使細(xì)胞內(nèi)CTPS水平得到顯著緩沖而不至于過量;當(dāng)細(xì)胞內(nèi)CTPS明顯不足時(shí),細(xì)胞蛇則可以解聚以補(bǔ)充細(xì)胞內(nèi)的CTPS含量;因此,細(xì)胞蛇可作為貯庫通過調(diào)節(jié)游離活性CTPS水平,維持細(xì)胞內(nèi)核苷酸的動態(tài)平衡[8]。另有研究發(fā)現(xiàn),CTPS形成的細(xì)絲結(jié)構(gòu)對底物和產(chǎn)物濃度的平衡十分敏感,細(xì)胞蛇可以隨著底物濃度的改變而迅速發(fā)生結(jié)構(gòu)改變[9]。

近年來的研究發(fā)現(xiàn),在不同類型細(xì)胞中細(xì)胞蛇發(fā)揮的作用有所不同。在大腸桿菌、芽殖酵母中,細(xì)胞蛇有類似細(xì)胞骨架的功能,參與維持細(xì)胞的形態(tài)[2]。在淋巴細(xì)胞中,表達(dá)野生型CTPS-1或加入外源性CTPS能夠恢復(fù)免疫系統(tǒng)中CTPS-1缺乏的T細(xì)胞增殖能力,從而促進(jìn)細(xì)胞的增殖[10]。由于CTPS-1是細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)的主要形成成分,所以淋巴細(xì)胞的增殖能力可能與細(xì)胞蛇存在密切聯(lián)系。在腎癌細(xì)胞中,IMPDH形成的細(xì)胞蛇能夠與Y盒結(jié)合蛋白1(Y-box binding protein 1,YB1)形成正反饋環(huán),促進(jìn)腎癌細(xì)胞的遷移和侵襲,導(dǎo)致癌細(xì)胞擴(kuò)散,使病情加重[11]。而在果蠅的神經(jīng)干細(xì)胞中,即使檢測出來存在豐富的細(xì)胞蛇,但過表達(dá)CTPS卻能阻止神經(jīng)上皮細(xì)胞分化成神經(jīng)細(xì)胞[12]。綜上可知,細(xì)胞蛇可能在不同細(xì)胞的發(fā)育、代謝及增殖過程中充當(dāng)著不可或缺的角色,對其展開深入研究具有重要意義。

1 細(xì)胞蛇簡介

細(xì)胞蛇是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型細(xì)胞器。細(xì)胞內(nèi)大部分細(xì)胞器如高爾基體、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等都有膜包被,但細(xì)胞蛇是無膜包被的細(xì)胞器[13]。巧合的是,細(xì)胞蛇的組裝過程和細(xì)胞骨架中微絲的組裝過程相同,都是五步組成:核化(nucleating)、延伸(extending)、融合(fusion)、成束(bundling)、環(huán)化(cyclizing)[1](圖1)。細(xì)胞蛇在細(xì)胞質(zhì)中的具體組裝過程為:首先,多個(gè)核化位點(diǎn)同時(shí)形成,每個(gè)核化位點(diǎn)延伸至數(shù)微米,形成小的動態(tài)細(xì)胞蛇;隨后,小的動態(tài)細(xì)胞蛇通過頭對頭融合(head-to-head fusion)或者邊對邊融合(side-to-side fusion)的方式進(jìn)行多次融合,形成中等大小的細(xì)胞蛇;之后,中等大小的細(xì)胞蛇逐漸變長變粗,形成一束;最后,成束的細(xì)胞蛇環(huán)化,形成環(huán)狀或似環(huán)狀的成熟結(jié)構(gòu),并具備了相應(yīng)的調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、代謝及發(fā)育等的生物學(xué)功能[14]。

圖1 哺乳動物細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞蛇的形成過程(改編自參考文獻(xiàn)[14])多個(gè)核化位點(diǎn)形成,并延伸至數(shù)微米,形成小的動態(tài)細(xì)胞蛇;小的動態(tài)細(xì)胞蛇通過頭對頭融合或者邊對邊融合的方式進(jìn)行多次融合,逐漸成束;最后環(huán)化,形成環(huán)狀或似環(huán)狀的成熟細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)。Fig.1 Cytoophidium formation in a mammalian cell(adapted from Reference[14])Several nucleating sites are formed and extend to several microns to become small dynamic cytoophidia,which gradually become bundled after multiple head-to-head or side-to-side fusion.Finally,a mature ring-like cytoophidium is formed through cyclization.

2 細(xì)胞蛇在不同類型細(xì)胞中的功能

隨著細(xì)胞蛇研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞蛇在各種類型的細(xì)胞中發(fā)揮的作用不盡相同[7,11,15～21](表1)。比如:在癌細(xì)胞中,細(xì)胞蛇可能會促進(jìn)其增殖;而在神經(jīng)干細(xì)胞中,細(xì)胞蛇過度表達(dá)則會產(chǎn)生抑制作用;在生殖系細(xì)胞中,細(xì)胞蛇可調(diào)節(jié)其增殖[15];在小鼠胰島細(xì)胞中,IMPDH類型的細(xì)胞蛇與胰島素的分泌相關(guān)[16];在大腸桿菌中,大規(guī)模細(xì)胞蛇形成會抑制CTPS活性,當(dāng)其被破壞后,可擾亂大腸桿菌的生長和代謝調(diào)節(jié)[7];在裂殖酵母中,細(xì)胞蛇的組裝對溫度敏感,并可調(diào)節(jié)CTPS活性[17]。下文主要以癌細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞以及卵泡細(xì)胞為代表對細(xì)胞蛇的功能進(jìn)行闡述。

表1 細(xì)胞蛇在不同類型細(xì)胞中發(fā)揮的作用Table 1 The functions of cytoophidia in different types of cells

2.1 細(xì)胞蛇在癌細(xì)胞中的功能

Myc基因是癌細(xì)胞中的著名癌基因。研究表明,Myc基因在轉(zhuǎn)錄、翻譯以及代謝水平控制CTPS的絲狀合成。在果蠅癌細(xì)胞中,Myc基因的過度表達(dá)可以促進(jìn)CTPS聚合形成細(xì)胞蛇,并使細(xì)胞蛇的長度增加[18]。此外,Myc基因在腫瘤模型中調(diào)節(jié)核苷酸代謝,而CTPS可以通過相鄰細(xì)胞的胞質(zhì)橋管道進(jìn)行擴(kuò)散,為細(xì)胞提供所需核苷酸[18];同時(shí),高表達(dá)的CTPS可以促進(jìn)核苷酸的合成,加速遺傳物質(zhì)DNA或RNA的合成及隨后的轉(zhuǎn)錄翻譯,從而促進(jìn)細(xì)胞的增殖發(fā)育。在果蠅癌細(xì)胞模型中,當(dāng)敲低CTPS的表達(dá)時(shí),腫瘤的形成明顯受到抑制[19]。在肝癌細(xì)胞中,研究者能檢測到由CTPS聚合而成的細(xì)胞蛇,而在相鄰的非癌癥肝細(xì)胞中卻檢測不到,提示細(xì)胞蛇的形成可能與癌細(xì)胞的增殖速度、代謝偏好性等相關(guān)[20]。另有研究發(fā)現(xiàn),由CTPS-1、CTPS-2、IMPDH1 和 IMPDH2 組裝成的細(xì)胞蛇都天然存在于腎癌組織中,但只有IMPDH1在腎癌組織中的表達(dá)上調(diào),并與YB1形成了正反饋環(huán),能夠明顯促進(jìn)腎癌細(xì)胞的遷移和侵襲[11]。由上述研究可推測,細(xì)胞蛇可促進(jìn)癌細(xì)胞的增殖,從而導(dǎo)致癌癥惡化。因此,我們不僅可以將細(xì)胞蛇作為預(yù)判癌癥分期、分級和預(yù)后的分子標(biāo)記,同時(shí)可通過研究破壞細(xì)胞蛇組裝的靶向分子藥物來治療細(xì)胞蛇分子標(biāo)記陽性的癌癥。這無疑為臨床癌癥的治療提供了新的靶點(diǎn)和研究方向。

2.2 細(xì)胞蛇在神經(jīng)干細(xì)胞中的功能

果蠅視葉的神經(jīng)干細(xì)胞中含有豐富的由CTPS形成的細(xì)胞蛇。研究表明,適量的CTPS表達(dá)能夠促進(jìn)干細(xì)胞的增殖,維持視葉穩(wěn)態(tài),并有助于視葉發(fā)育;但當(dāng)其過量表達(dá)時(shí),則會抑制細(xì)胞的增殖,影響視葉穩(wěn)態(tài)[12]。小鼠大腦皮層中亦是如此,過度表達(dá)的CTPS會誘導(dǎo)細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)的形成,進(jìn)而抑制細(xì)胞增殖。神經(jīng)元的合成是神經(jīng)干細(xì)胞通過維持增殖和分化的平衡來穩(wěn)定的。在神經(jīng)干細(xì)胞中,細(xì)胞蛇通過打破這種平衡,促進(jìn)干細(xì)胞離開增殖區(qū),并通過促進(jìn)神經(jīng)祖細(xì)胞分化成神經(jīng)元,減少神經(jīng)干細(xì)胞的數(shù)量;同時(shí),它還能抑制神經(jīng)祖細(xì)胞的分裂活性,從而抑制干細(xì)胞的增殖[21]。在哺乳動物大腦中,新產(chǎn)生的神經(jīng)元要經(jīng)過從產(chǎn)生地到目的地的遷移,才能最終建立具有功能的神經(jīng)通路。但細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)的形成可能通過誘導(dǎo)遷移神經(jīng)元頂突的延長或延緩皮質(zhì)發(fā)育進(jìn)程的方式,抑制皮質(zhì)發(fā)育過程中神經(jīng)元的遷移[21],從而抑制神經(jīng)干細(xì)胞的增殖。由上述報(bào)道我們可以知道,細(xì)胞蛇在神經(jīng)干細(xì)胞中具有重要作用。皮質(zhì)中神經(jīng)干細(xì)胞的數(shù)量是通過其自身持續(xù)的復(fù)制來穩(wěn)定的,皮質(zhì)板的結(jié)構(gòu)則需要神經(jīng)干細(xì)胞持續(xù)性地分化產(chǎn)生新生的遷移神經(jīng)元來構(gòu)成。當(dāng)神經(jīng)干細(xì)胞增殖過度時(shí),皮質(zhì)會由于干細(xì)胞池的耗竭而受損;而增殖不足則會影響皮質(zhì)的正常發(fā)育,對大腦產(chǎn)生不可逆的損害。所以在神經(jīng)干細(xì)胞中,CTPS的數(shù)量以及與之相關(guān)的細(xì)胞蛇結(jié)構(gòu)的形成與表達(dá)的適度控制十分重要。

2.3 細(xì)胞蛇在果蠅卵泡細(xì)胞中的功能

研究發(fā)現(xiàn),在果蠅卵巢組織中細(xì)胞蛇存在于早、中期的卵泡中,且每個(gè)卵泡細(xì)胞只含有1根細(xì)胞蛇[22]。在光學(xué)顯微鏡下觀察果蠅生殖細(xì)胞時(shí),我們可以看到大細(xì)胞蛇和小細(xì)胞蛇兩種類型。大細(xì)胞蛇的形態(tài)大而粗,數(shù)量少,每個(gè)細(xì)胞中僅有1根或數(shù)根;小細(xì)胞蛇小而細(xì),數(shù)量龐大,每個(gè)細(xì)胞中有成千上萬根[1]。生殖細(xì)胞中的CTPS通過環(huán)狀管道的擴(kuò)散足以為卵泡細(xì)胞提供正常所需的核苷酸。在卵泡中,大部分CTPS是不活躍的,其在卵子發(fā)生大部分過程中形成了細(xì)胞蛇,保持較低的酶活性,即形成細(xì)胞蛇后的CTPS酶活性較低,但分散的CTPS和聚合成的細(xì)胞蛇是平衡存在的,當(dāng)細(xì)胞蛇解聚即CTPS分散后,其酶活性恢復(fù),變的活躍,此時(shí)CTPS通過上調(diào)核苷酸的產(chǎn)量來促進(jìn)絨毛膜基因擴(kuò)增和快速增殖[18]。細(xì)胞蛇的形成還可以抑制CTPS的泛素化,并進(jìn)一步延長CTPS的半衰期,此時(shí)細(xì)胞蛇相當(dāng)于CTPS的存貯庫[23]。在卵母細(xì)胞發(fā)育過程中,單個(gè)大的卵母細(xì)胞含豐富的透明質(zhì),它們對核苷酸要求很大,需要大量的CTPS,此時(shí)先前形成的細(xì)胞蛇可以解體,為發(fā)育中的卵母細(xì)胞合成營養(yǎng)物質(zhì)提供幫助。另外,生殖細(xì)胞膜的完整性和卵子發(fā)生必須維持足量的CTP水平[24],而CTPS可以催化CTP的合成,同時(shí)CTP通過參與甘油磷脂的合成和蛋白質(zhì)的糖基化,也能促進(jìn)細(xì)胞的增殖發(fā)育。綜上可知,細(xì)胞蛇在卵母細(xì)胞的增殖發(fā)育中發(fā)揮了很大的作用。

3 細(xì)胞蛇的應(yīng)用前景

細(xì)胞蛇的形成與CTPS的數(shù)量相關(guān),因此與代謝狀態(tài)、外部環(huán)境壓力等有關(guān)。其合成機(jī)理和形成機(jī)理還有待進(jìn)一步研究?；谀壳暗难芯拷Y(jié)果,細(xì)胞蛇對細(xì)胞增殖有著重要的影響。CTPS參與磷脂的合成,磷脂是有絲分裂核分離后胞質(zhì)分裂過程中所需的組分[25],因此,它的功能與有絲分裂密切相關(guān),但其促進(jìn)增殖的機(jī)制尚未完全明確。它如果與有絲分裂或生殖細(xì)胞的減數(shù)分裂有關(guān),研究者們后續(xù)可以試圖尋找和摸索細(xì)胞蛇參與細(xì)胞分裂的機(jī)制,通過對具體機(jī)制和信號通路等的研究,提高細(xì)胞蛇在細(xì)胞增殖方面的應(yīng)用。此外,細(xì)胞蛇能夠促進(jìn)癌細(xì)胞的增殖,研究者們可以在癌癥靶向藥物方面進(jìn)行深入探索,尋找可能破壞細(xì)胞蛇組裝的靶向藥物,進(jìn)而抑制癌細(xì)胞的增殖,阻止病情惡化,這將給癌癥患者的靶向治療提供又一個(gè)探索的方向。在雌性生殖干細(xì)胞方面,體外培養(yǎng)體系與卵泡微環(huán)境存在較大差異,導(dǎo)致卵母細(xì)胞無法在體外進(jìn)行減數(shù)分裂;而研究發(fā)現(xiàn)卵泡中含大量CTPS[18],這可能給探索更接近卵泡內(nèi)微環(huán)境的體外培養(yǎng)體系提供了線索,若能讓細(xì)胞蛇參與體外微環(huán)境的創(chuàng)造并誘導(dǎo)細(xì)胞完成減數(shù)分裂,則可能給雌性生殖干細(xì)胞的體外培養(yǎng)困境和卵子發(fā)生障礙帶來新的解決方法,這對染色體和紡錘體的完善性研究也有重要意義。最新的研究發(fā)現(xiàn),ENDU-2[poly(U)-specific endoribonuclease]通過控制CTPS-1的磷酸化調(diào)節(jié)CTPS-1的活性,進(jìn)而調(diào)節(jié)核苷酸代謝;同時(shí),如果核苷酸失衡或者有其他遺傳毒性應(yīng)激,ENDU-2也能通過調(diào)節(jié)生殖譜系的細(xì)胞增殖來積極應(yīng)對[15]。先前的研究已經(jīng)報(bào)道,CTPS可以在各種生物中形成絲狀結(jié)構(gòu),即細(xì)胞蛇,這是已知的對CTPS活性和穩(wěn)定性起調(diào)節(jié)作用的結(jié)構(gòu)[26～27]。而CTPS的磷酸化可能對細(xì)胞蛇的形成能力產(chǎn)生影響,從而影響代謝的調(diào)節(jié)。該酶很大程度上為研究細(xì)胞蛇在調(diào)節(jié)核苷酸代謝和生殖系細(xì)胞增殖等方面提供了新方向。其中還有兩個(gè)關(guān)鍵問題需要解決:一是EN-DU-2的直接靶點(diǎn),這是了解該內(nèi)切酶如何控制CTPS-1活性的關(guān)鍵;二是CTPS-1的磷酸化對生殖系細(xì)胞的增殖發(fā)育發(fā)揮作用的具體機(jī)制[15]。此外,細(xì)胞蛇在細(xì)胞代謝和發(fā)育過程中仍有許多潛在機(jī)制值得挖掘。一方面,研究者發(fā)現(xiàn)細(xì)胞蛇在不同組織中的分布是動態(tài)和異質(zhì)的,探究其在不同組織中的豐度和發(fā)育狀態(tài)的時(shí)間窗,有益于尋找其適應(yīng)細(xì)胞增殖和分化的具體機(jī)制[28]。另一方面,在細(xì)胞氮代謝過程中,低滲環(huán)境會影響細(xì)胞蛇的完整性,而其與滲透壓之間的關(guān)系可能涉及絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)等相關(guān)通路[29]。因此,細(xì)胞蛇參與調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝、增殖和發(fā)育的生物學(xué)功能是非常復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的,但不可否認(rèn),隨著細(xì)胞蛇研究的逐漸深入,人們對細(xì)胞蛇的認(rèn)識越來越清晰,未來對細(xì)胞蛇的應(yīng)用可能具有重大的意義。

4 總結(jié)和展望

細(xì)胞蛇是近些年才發(fā)現(xiàn)的無膜細(xì)胞器,其研究處于起步階段,很多機(jī)制尚未研究透徹,有許多疑問仍值得進(jìn)一步探索。如:細(xì)胞蛇促進(jìn)癌細(xì)胞增殖的機(jī)制是什么？能否將細(xì)胞蛇作為藥物靶點(diǎn)進(jìn)行靶向治療？能否通過檢測細(xì)胞蛇的形成及數(shù)量來輔助檢測癌癥的發(fā)生和預(yù)后？另一方面,現(xiàn)有研究顯示,細(xì)胞蛇在干細(xì)胞中主要起到促進(jìn)增殖的作用,那么細(xì)胞蛇與細(xì)胞的有絲分裂或減數(shù)分裂是否存在相關(guān)性或其他密切聯(lián)系？另外,近年來,細(xì)胞蛇成為研究無膜細(xì)胞器對細(xì)胞發(fā)育、代謝影響的熱點(diǎn),其中很多相關(guān)的機(jī)制也值得挖掘,比如:細(xì)胞蛇在溫度中的動態(tài)變化該如何解釋等?？偟膩碇v,新型無膜細(xì)胞器——細(xì)胞蛇的發(fā)現(xiàn),為細(xì)胞功能學(xué)研究領(lǐng)域帶來了新的挑戰(zhàn),也為臨床疾病的研究帶來了新的契機(jī)。研究細(xì)胞蛇對細(xì)胞增殖、代謝、發(fā)育等所產(chǎn)生的影響,可推動癌細(xì)胞的輔助診斷和靶向治療,以及神經(jīng)性疾病的干預(yù)治療;研究細(xì)胞蛇促進(jìn)卵泡等生殖細(xì)胞增殖的機(jī)制,探索其與生殖細(xì)胞的有絲分裂、減數(shù)分裂以及體外成熟的聯(lián)系,可推動卵泡細(xì)胞體外培養(yǎng)體系的建立以及生殖細(xì)胞體外成熟機(jī)制的研究,從而為生殖生物學(xué)和生殖醫(yī)學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展開辟新的領(lǐng)域。綜上所述,細(xì)胞蛇這一新型細(xì)胞器在人類不同類型細(xì)胞中發(fā)揮的作用不盡相同,但其具體機(jī)制仍有許多謎團(tuán),進(jìn)一步深入研究細(xì)胞蛇的結(jié)構(gòu)和功能,在指導(dǎo)疾病診斷和治療及推動生殖醫(yī)學(xué)發(fā)展等方面均有前瞻性意義。