一種新的細胞器
——細胞蛇簡介

黃俊駿 王華華 梁衛紅

(河南師范大學生命科學學院 新鄉 453007)

一般認為，細胞器是散布在細胞質內具有一定形態和功能的微結構或微器官。隨著高分辨率和高質量的新成像技術、基因組研究、現代生物技術的廣泛應用，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構轉向未知的、未發現的微結構。在此基礎上，科學家發現了細胞膜納米管、微型工廠、貨物運載工具以及最近發現的細胞蛇(cytoophidia)等新的細胞結構。

1 細胞蛇的發現

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現了由核苷酸代謝發揮關鍵作用的CTP合成酶在細胞里會聚合在一起，形成細長的蛇形結構，科學家將這種絲狀結構稱作“胞內蛇”(cell serpent或cytoophidia)，源自希臘語“cyto”(細胞)和“ophidium”(蛇)[1]。次年，在人類細胞中也發現了細胞蛇的存在[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、成束和環化[3]。首先在細胞質內同時形成眾多的核化位點，并開始延伸，當延伸至數微米時，小的動態的細胞蛇形成，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絲狀結構(相對于球形結構如P小體、U小體)；②通常含有代謝酶(有別于經典細胞骨架的微管、微絲和中間絲)；③缺乏膜(不同于傳統的由膜包被的細胞器如內質網、高爾基體、線粒體和纖毛)。細胞蛇如同細胞質的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，細胞內區室化使得細胞內能夠同時進行多種化學反應而不會相互干擾，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現的無膜細胞蛇，對于理解細胞內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。現有的研究結果表明：細胞蛇在生物體代謝、發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[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被激活的神經母細胞的發育[5]；同時細胞蛇能促使細胞適應各種壓力，如在營養豐富的情況下，細胞蛇會變大、出現的頻率更高；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、肝細胞瘤和結腸癌等)中，都表現出一個重要的特征：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]；發現CTP合成酶1對淋巴細胞增殖非常關鍵[10]。最新的研究數據表明，原癌基因Myc調控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，具有重大的醫學意義，特別是與癌癥的關系。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構，細胞蛇是動態的結構，與代謝狀態和環境條件有關[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鍵酶，GTP合成的限速反應由IMPDH催化。有意思的是，IMPDH也形成絲狀結構，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，研究細胞蛇的結構和功能將成為細胞生物學研究的最新前沿領域之一。