黃俊駿 王華華 梁衛(wèi)紅

(河南師范大學生命科學學院 新鄉(xiāng) 453007)

一般認為，細胞器是散布在細胞質(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，人們對細胞器的認識已從細胞核、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，科學家發(fā)現(xiàn)了細胞膜納米管、微型工廠、貨物運載工具以及最近發(fā)現(xiàn)的細胞蛇(cytoophidia)等新的細胞結(jié)構(gòu)。

1 細胞蛇的發(fā)現(xiàn)

2010年，3個研究小組獨立地報道在果蠅、細菌和芽殖酵母細胞中發(fā)現(xiàn)了由核苷酸代謝發(fā)揮關(guān)鍵作用的CTP合成酶在細胞里會聚合在一起，形成細長的蛇形結(jié)構(gòu)，科學家將這種絲狀結(jié)構(gòu)稱作“胞內(nèi)蛇”(cell serpent或cytoophidia)，源自希臘語“cyto”(細胞)和“ophidium”(蛇)[1]。次年，在人類細胞中也發(fā)現(xiàn)了細胞蛇的存在[2]。細胞蛇普遍存在于從細菌到人的細胞中，而30億年前，細菌和人類細胞的祖先在進化樹上就已經(jīng)分離，說明細胞蛇在進化過程中是高度保守的。

2 細胞蛇的特征

細胞蛇的組裝如同微絲的組裝過程一樣，分為5個步驟：核化、延伸、融合、成束和環(huán)化[3]。首先在細胞質(zhì)內(nèi)同時形成眾多的核化位點，并開始延伸，當延伸至數(shù)微米時，小的動態(tài)的細胞蛇形成，這時進入到融合階段，包括頭對頭融合和邊對邊融合。前者細胞蛇的長度增加而寬度不變，后者是寬度變厚而長度不增加。當融合數(shù)次后，中等大小的細胞蛇開始成束，細胞蛇變得又長又粗，有的甚至開始環(huán)化，于是就形成了具有生物學功能的細胞蛇。

細胞蛇具有3個特征：①絲狀結(jié)構(gòu)(相對于球形結(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)的由膜包被的細胞器如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體和纖毛)。細胞蛇如同細胞質(zhì)的U小體和P小體、細胞核里的柯哈小體(Cajal body)和組蛋白基因位點小體(histone locus body)等，都是沒有膜的細胞器。眾所周知，細胞內(nèi)區(qū)室化使得細胞內(nèi)能夠同時進行多種化學反應(yīng)而不會相互干擾，保證了細胞的生命活動高效、有序地進行。但在原核生物和真核生物中發(fā)現(xiàn)的無膜細胞蛇，對于理解細胞內(nèi)的代謝可能具有更為深刻和重要的作用。

3 細胞蛇的功能

細胞蛇廣泛存在于不同的細胞，并存在于細胞內(nèi)不同的部位，這意味著它可能參與到細胞組織功能的一些基本機制中?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明：細胞蛇在生物體代謝、發(fā)育以及細胞增殖等過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，細胞蛇具有類似細胞骨架的功能，和中間絲共同作用來維持細胞的形態(tài)[4]；細胞蛇能快速的改變蛋白酶的生物學活性，亦能延長蛋白的壽命，進而達到參與代謝調(diào)控的目的[5]；在細胞增殖方面，細胞蛇能加速細胞的快速增殖，尤其是干細胞和癌細胞[6]；在果蠅幼蟲中，細胞蛇的解聚能抑制已經(jīng)被激活的神經(jīng)母細胞的發(fā)育[5]；同時細胞蛇能促使細胞適應(yīng)各種壓力，如在營養(yǎng)豐富的情況下，細胞蛇會變大、出現(xiàn)的頻率更高；在酵母中，熱刺激能促使細胞蛇片段化，而冷脅迫則減少片段化的細胞蛇[7]；在許多癌癥(如白血病、肝細胞瘤和結(jié)腸癌等)中，都表現(xiàn)出一個重要的特征：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對淋巴細胞增殖非常關(guān)鍵[10]。最新的研究數(shù)據(jù)表明，原癌基因Myc調(diào)控CTP合成酶組裝成細胞蛇，而細胞蛇可以快速讓酶活性降低，同時CTP合成酶又影響Myc介導的對細胞大小的控制[11]。

4 結(jié)語

目前，對細胞蛇的研究尚處于起步階段，雖然人們對于細胞蛇的作用及其重要意義的認識還不夠深刻，但是已有的研究成果表明細胞蛇是確實存在的一個新的無膜細胞器，具有重大的醫(yī)學意義，特別是與癌癥的關(guān)系。此外，在芽殖酵母中，還觀察到越來越多的代謝酶能形成細胞蛇或同類結(jié)構(gòu)，細胞蛇是動態(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)，非常類似CTP合成酶的細胞蛇，研究表明這兩種細胞蛇相互獨立又互相作用[13]。許多疑問值得進一步研究：如眾多的代謝酶在什么特定條件下，為什么、怎樣會以及如何形成細胞蛇？細胞蛇還有哪些功能？因此，研究細胞蛇的結(jié)構(gòu)和功能將成為細胞生物學研究的最新前沿領(lǐng)域之一。