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、增殖和生物體發育等多種重要生命活動中發揮重要作用。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、蛋白代謝及癌癥發生中發揮重要作用。

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現了蛇狀結構，將其命名為細胞蛇[1]。通過綠色熒光蛋白的文庫篩選，發現果蠅細胞中的CTPS 也呈現出類似的蛇狀結構，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現了細胞蛇結構[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，發現該蛋白在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，僅發現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狀的核細胞蛇。研究人員發現各種形態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狀細胞蛇，但不同形態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 突變的果蠅幼蟲發育出現延遲[17]，提示在果蠅發育過程中CTPS 十分重要，其組建的細胞蛇有可能提高其功能。Jeffrey R 等發現小鼠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 營養與溫度

果蠅幼蟲發育的過程中，從二齡早期到晚期，再到三齡早期，中樞神經系統中含有CTPS 細胞蛇的后胚胎成神經細胞數目逐步遞減。將果蠅培養基撤走，對幼蟲進行饑餓處理后，果蠅細胞內的CTP細胞蛇數量大量增加；而恢復飼養培養基后，已形成的細胞蛇逐漸解聚。從果蠅提取出對數生長期的S2R+細胞用PBS 培養，細胞內大量出現CTPS 組建形成的細胞蛇[19,20]。上述結果說明細胞亟需營養的狀態促進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量[13]。將培養中的裂殖酵母從32°C 轉移到0°C 培養5min 后，細胞內CTPS 細胞蛇長度與和數量均出現明顯下降。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 環境下，CTPS 細胞蛇也能發生迅速解聚。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]。在穩定敲低mTORC1 或者穩定敲低下游激酶S6K1 的SW480 細胞中，CTPS 細胞蛇的數量與對照組相比出現顯著下降，而穩定敲低mTORC2 對細胞蛇數量無明顯影響，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 細胞蛇數量，發現在黑色素瘤細胞中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 等多種體外培養的癌細胞中均能發現IMPDH 細胞蛇和CTPS 細胞蛇[8,10,21,22]，提示癌細胞的代謝狀態有助于細胞蛇形成。Aughey 等人發現原癌基因Myc 的表達量與CTPS 細胞蛇數量顯著相關，敲低Myc 會造成果蠅細胞中的CTPS 細胞蛇數量下降，過表達Myc 則促進細胞蛇的數量上升[31]。臨床病理數據顯示，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]，提示細胞蛇的數量可能可以作為癌癥發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域內有序進行。近年來陸續發現了多種無膜細胞器，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。細胞蛇結構被發現存在于發育中的果蠅組織、多種人類癌組織和體外培養的癌細胞中，與發育和癌癥發展的階段密切相關。

細胞蛇被發現的時間不長，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相關，但目前還缺乏足夠證據。細胞蛇有多種形態，各種形態間的轉換機制及與功能之間的關系尚不明確。雖然有證據表明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或添加刺激時，發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細胞內代謝，維持細胞穩態有何意義？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系。