細胞蛇的研究進展

李欣玲,張櫻馨,李進蘭,潘文鑫,王彥鳳,楊麗蓉,王 通,俞曉麗

(寧夏醫科大學生育力保持教育部重點實驗室臨床醫學院基礎醫學院,中國寧夏 銀川 750000)

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

2011年,研究人員在小鼠和人類細胞中也發現了細胞蛇的存在,其結構不僅可以由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形成的絲狀細胞蛇結構[4]。2013年,果蠅中的研究發現,雖然CTPS有3種亞型,分別為A、B、C亞型,但只有C亞型參與了細胞蛇形成;同時,果蠅卵巢的每個卵泡細胞中有且只有1根細胞蛇,每個卵室中的細胞蛇長度相似,這個特點使得卵泡細胞成為研究細胞蛇的理想模型[6]。2014年,相關研究發現,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態所必需的,破壞后將影響細菌的生長和代謝[7～8]。當細胞內CTPS過表達時,細胞蛇的動態形成可以使細胞內CTPS水平得到顯著緩沖而不至于過量;當細胞內CTPS明顯不足時,細胞蛇則可以解聚以補充細胞內的CTPS含量;因此,細胞蛇可作為貯庫通過調節游離活性CTPS水平,維持細胞內核苷酸的動態平衡[8]。另有研究發現,CTPS形成的細絲結構對底物和產物濃度的平衡十分敏感,細胞蛇可以隨著底物濃度的改變而迅速發生結構改變[9]。

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

1 細胞蛇簡介

細胞蛇是近年來發現的一種新型細胞器。細胞內大部分細胞器如高爾基體、線粒體和內質網等都有膜包被,但細胞蛇是無膜包被的細胞器[13]。巧合的是,細胞蛇的組裝過程和細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)、環化(cyclizing)[1](圖1)。細胞蛇在細胞質中的具體組裝過程為:首先,多個核化位點同時形成,每個核化位點延伸至數微米,形成小的動態細胞蛇;隨后,小的動態細胞蛇通過頭對頭融合(head-to-head fusion)或者邊對邊融合(side-to-side fusion)的方式進行多次融合,形成中等大小的細胞蛇;之后,中等大小的細胞蛇逐漸變長變粗,形成一束;最后,成束的細胞蛇環化,形成環狀或似環狀的成熟結構,并具備了相應的調節細胞增殖、代謝及發育等的生物學功能[14]。

圖1 哺乳動物細胞內細胞蛇的形成過程(改編自參考文獻[14])多個核化位點形成,并延伸至數微米,形成小的動態細胞蛇;小的動態細胞蛇通過頭對頭融合或者邊對邊融合的方式進行多次融合,逐漸成束;最后環化,形成環狀或似環狀的成熟細胞蛇結構。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 細胞蛇在不同類型細胞中的功能

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

表1 細胞蛇在不同類型細胞中發揮的作用Table 1 The functions of cytoophidia in different types of cells

2.1 細胞蛇在癌細胞中的功能

Myc基因是癌細胞中的著名癌基因。研究表明,Myc基因在轉錄、翻譯以及代謝水平控制CTPS的絲狀合成。在果蠅癌細胞中,Myc基因的過度表達可以促進CTPS聚合形成細胞蛇,并使細胞蛇的長度增加[18]。此外,Myc基因在腫瘤模型中調節核苷酸代謝,而CTPS可以通過相鄰細胞的胞質橋管道進行擴散,為細胞提供所需核苷酸[18];同時,高表達的CTPS可以促進核苷酸的合成,加速遺傳物質DNA或RNA的合成及隨后的轉錄翻譯,從而促進細胞的增殖發育。在果蠅癌細胞模型中,當敲低CTPS的表達時,腫瘤的形成明顯受到抑制[19]。在肝癌細胞中,研究者能檢測到由CTPS聚合而成的細胞蛇,而在相鄰的非癌癥肝細胞中卻檢測不到,提示細胞蛇的形成可能與癌細胞的增殖速度、代謝偏好性等相關[20]。另有研究發現,由CTPS-1、CTPS-2、IMPDH1 和 IMPDH2 組裝成的細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上調,并與YB1形成了正反饋環,能夠明顯促進腎癌細胞的遷移和侵襲[11]。由上述研究可推測,細胞蛇可促進癌細胞的增殖,從而導致癌癥惡化。因此,我們不僅可以將細胞蛇作為預判癌癥分期、分級和預后的分子標記,同時可通過研究破壞細胞蛇組裝的靶向分子藥物來治療細胞蛇分子標記陽性的癌癥。這無疑為臨床癌癥的治療提供了新的靶點和研究方向。

2.2 細胞蛇在神經干細胞中的功能

果蠅視葉的神經干細胞中含有豐富的由CTPS形成的細胞蛇。研究表明,適量的CTPS表達能夠促進干細胞的增殖,維持視葉穩態,并有助于視葉發育;但當其過量表達時,則會抑制細胞的增殖,影響視葉穩態[12]。小鼠大腦皮層中亦是如此,過度表達的CTPS會誘導細胞蛇結構的形成,進而抑制細胞增殖。神經元的合成是神經干細胞通過維持增殖和分化的平衡來穩定的。在神經干細胞中,細胞蛇通過打破這種平衡,促進干細胞離開增殖區,并通過促進神經祖細胞分化成神經元,減少神經干細胞的數量;同時,它還能抑制神經祖細胞的分裂活性,從而抑制干細胞的增殖[21]。在哺乳動物大腦中,新產生的神經元要經過從產生地到目的地的遷移,才能最終建立具有功能的神經通路。但細胞蛇結構的形成可能通過誘導遷移神經元頂突的延長或延緩皮質發育進程的方式,抑制皮質發育過程中神經元的遷移[21],從而抑制神經干細胞的增殖。由上述報道我們可以知道,細胞蛇在神經干細胞中具有重要作用。皮質中神經干細胞的數量是通過其自身持續的復制來穩定的,皮質板的結構則需要神經干細胞持續性地分化產生新生的遷移神經元來構成。當神經干細胞增殖過度時,皮質會由于干細胞池的耗竭而受損;而增殖不足則會影響皮質的正常發育,對大腦產生不可逆的損害。所以在神經干細胞中,CTPS的數量以及與之相關的細胞蛇結構的形成與表達的適度控制十分重要。

2.3 細胞蛇在果蠅卵泡細胞中的功能

研究發現,在果蠅卵巢組織中細胞蛇存在于早、中期的卵泡中,且每個卵泡細胞只含有1根細胞蛇[22]。在光學顯微鏡下觀察果蠅生殖細胞時,我們可以看到大細胞蛇和小細胞蛇兩種類型。大細胞蛇的形態大而粗,數量少,每個細胞中僅有1根或數根;小細胞蛇小而細,數量龐大,每個細胞中有成千上萬根[1]。生殖細胞中的CTPS通過環狀管道的擴散足以為卵泡細胞提供正常所需的核苷酸。在卵泡中,大部分CTPS是不活躍的,其在卵子發生大部分過程中形成了細胞蛇,保持較低的酶活性,即形成細胞蛇后的CTPS酶活性較低,但分散的CTPS和聚合成的細胞蛇是平衡存在的,當細胞蛇解聚即CTPS分散后,其酶活性恢復,變的活躍,此時CTPS通過上調核苷酸的產量來促進絨毛膜基因擴增和快速增殖[18]。細胞蛇的形成還可以抑制CTPS的泛素化,并進一步延長CTPS的半衰期,此時細胞蛇相當于CTPS的存貯庫[23]。在卵母細胞發育過程中,單個大的卵母細胞含豐富的透明質,它們對核苷酸要求很大,需要大量的CTPS,此時先前形成的細胞蛇可以解體,為發育中的卵母細胞合成營養物質提供幫助。另外,生殖細胞膜的完整性和卵子發生必須維持足量的CTP水平[24],而CTPS可以催化CTP的合成,同時CTP通過參與甘油磷脂的合成和蛋白質的糖基化,也能促進細胞的增殖發育。綜上可知,細胞蛇在卵母細胞的增殖發育中發揮了很大的作用。

3 細胞蛇的應用前景

細胞蛇的形成與CTPS的數量相關,因此與代謝狀態、外部環境壓力等有關。其合成機理和形成機理還有待進一步研究。基于目前的研究結果,細胞蛇對細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,但其促進增殖的機制尚未完全明確。它如果與有絲分裂或生殖細胞的減數分裂有關,研究者們后續可以試圖尋找和摸索細胞蛇參與細胞分裂的機制,通過對具體機制和信號通路等的研究,提高細胞蛇在細胞增殖方面的應用。此外,細胞蛇能夠促進癌細胞的增殖,研究者們可以在癌癥靶向藥物方面進行深入探索,尋找可能破壞細胞蛇組裝的靶向藥物,進而抑制癌細胞的增殖,阻止病情惡化,這將給癌癥患者的靶向治療提供又一個探索的方向。在雌性生殖干細胞方面,體外培養體系與卵泡微環境存在較大差異,導致卵母細胞無法在體外進行減數分裂;而研究發現卵泡中含大量CTPS[18],這可能給探索更接近卵泡內微環境的體外培養體系提供了線索,若能讓細胞蛇參與體外微環境的創造并誘導細胞完成減數分裂,則可能給雌性生殖干細胞的體外培養困境和卵子發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。最新的研究發現,ENDU-2[poly(U)-specific endoribonuclease]通過控制CTPS-1的磷酸化調節CTPS-1的活性,進而調節核苷酸代謝;同時,如果核苷酸失衡或者有其他遺傳毒性應激,ENDU-2也能通過調節生殖譜系的細胞增殖來積極應對[15]。先前的研究已經報道,CTPS可以在各種生物中形成絲狀結構,即細胞蛇,這是已知的對CTPS活性和穩定性起調節作用的結構[26～27]。而CTPS的磷酸化可能對細胞蛇的形成能力產生影響,從而影響代謝的調節。該酶很大程度上為研究細胞蛇在調節核苷酸代謝和生殖系細胞增殖等方面提供了新方向。其中還有兩個關鍵問題需要解決:一是EN-DU-2的直接靶點,這是了解該內切酶如何控制CTPS-1活性的關鍵;二是CTPS-1的磷酸化對生殖系細胞的增殖發育發揮作用的具體機制[15]。此外,細胞蛇在細胞代謝和發育過程中仍有許多潛在機制值得挖掘。一方面,研究者發現細胞蛇在不同組織中的分布是動態和異質的,探究其在不同組織中的豐度和發育狀態的時間窗,有益于尋找其適應細胞增殖和分化的具體機制[28]。另一方面,在細胞氮代謝過程中,低滲環境會影響細胞蛇的完整性,而其與滲透壓之間的關系可能涉及絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)等相關通路[29]。因此,細胞蛇參與調節細胞代謝、增殖和發育的生物學功能是非常復雜且具有挑戰性的,但不可否認,隨著細胞蛇研究的逐漸深入,人們對細胞蛇的認識越來越清晰,未來對細胞蛇的應用可能具有重大的意義。

4 總結和展望

細胞蛇是近些年才發現的無膜細胞器,其研究處于起步階段,很多機制尚未研究透徹,有許多疑問仍值得進一步探索。如:細胞蛇促進癌細胞增殖的機制是什么？能否將細胞蛇作為藥物靶點進行靶向治療？能否通過檢測細胞蛇的形成及數量來輔助檢測癌癥的發生和預后？另一方面,現有研究顯示,細胞蛇在干細胞中主要起到促進增殖的作用,那么細胞蛇與細胞的有絲分裂或減數分裂是否存在相關性或其他密切聯系？另外,近年來,細胞蛇成為研究無膜細胞器對細胞發育、代謝影響的熱點,其中很多相關的機制也值得挖掘,比如:細胞蛇在溫度中的動態變化該如何解釋等。總的來講,新型無膜細胞器——細胞蛇的發現,為細胞功能學研究領域帶來了新的挑戰,也為臨床疾病的研究帶來了新的契機。研究細胞蛇對細胞增殖、代謝、發育等所產生的影響,可推動癌細胞的輔助診斷和靶向治療,以及神經性疾病的干預治療;研究細胞蛇促進卵泡等生殖細胞增殖的機制,探索其與生殖細胞的有絲分裂、減數分裂以及體外成熟的聯系,可推動卵泡細胞體外培養體系的建立以及生殖細胞體外成熟機制的研究,從而為生殖生物學和生殖醫學的進一步發展開辟新的領域。綜上所述,細胞蛇這一新型細胞器在人類不同類型細胞中發揮的作用不盡相同,但其具體機制仍有許多謎團,進一步深入研究細胞蛇的結構和功能,在指導疾病診斷和治療及推動生殖醫學發展等方面均有前瞻性意義。