细胞蛇：细胞器家族的新成员

秦四哥

细胞器是细胞的组成部分，其发现有近200年的历史。由于成像技术的限制，经典的细胞器大多是有膜结构。近10年来，越来越多的无膜细胞器被发现，其中典型代表是一类包含代谢酶的蛇形结构——细胞蛇，这种以CTP合成酶为组分的细胞器的发现更新了人们对细胞内代谢结构及其调控机理的认识，进一步探索这类细胞器家族新成员的功能和生物学意义也是细胞生物学的前沿热点。

        维持秩序是生命有别于非生命的一个重要特征，细胞是生命的基本单位，细胞的秩序是通过细胞内区域化实现的。细胞内有各种微小区域，它们在细胞内具有非常特殊的功能，就像器官是身体的一部分，这些微小区域是细胞的一部分，它们被称作细胞器。细胞中有各种细胞器，它们都有各自独特的功能，如生产能源，制造、分装、修饰或降解蛋白质等。

细胞器的研究历程

细胞器可以通过显微镜研究鉴定，也可通过生物化学的手段提纯。经典的细胞器由于被包裹在脂质双层的细胞膜内而易于分辨识别。真核细胞的细胞膜将细胞分成隔间，这些隔间在形态和代谢方面都是独特的。有膜包裹的细胞器有细胞核、线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体和过氧化物酶体等。

1831年苏格兰科学家布朗（R. Brown）在兰花细胞里发现细胞核，这是第一个被发现的细胞器。核内含有细胞中大多数遗传物质DNA，它是细胞遗传与代谢的调控中心，对维持基因的完整性发挥着重要作用，也借由调控基因表达来影响细胞活动。细胞间期的细胞核由双层膜结构的核被膜包裹，其中外膜与细胞质中的内质网相连，内膜靠近核面，分布有网状结构核纤层。核被膜上分布有致密的、对核质运输起关键作用的核孔复合体，较大的分子无法直接穿透核被膜，而小分子与离子可自由通透，大的蛋白质分子则需要载体蛋白的帮助进出核被膜。经由核孔复合体的核质运输是胞内最重要的功能之一，细胞质和细胞核中许多活动均依赖于高效的核质运输。

19世纪后叶线粒体被发现。它具双层膜结构，外膜平滑而连续，内膜反复延伸折叠形成嵴，是细胞进行有氧呼吸的主要场所，在动物细胞里是ATP的产生部位，被称为细胞“动力工厂”。线粒体具有半自主性，腔内有成环状DNA、少量RNA和核糖体。少量线粒体蛋白由线粒体基因组编码，绝大部分线粒体蛋白由细胞核内的基因组编码。

高尔基体是意大利科学家高尔基（C. Golgi）在1898年发现的。在电镜发明前的几十年里，高尔基体一直被怀疑是固定细胞时产生的假象。电镜观察确认了高尔基体在真核细胞里是真实存在的。它由一系列单层膜扁平小囊和小泡组成，其数量在不同细胞类型中差别很大,在分泌旺盛的细胞里较丰富，是细胞分泌物的最后加工和包装场所。它是对来自内质网的蛋白质进行加工、分类和包装的“车间”和“发送站”。

内质网在1940年代被发现，它是由单层膜连接而成的网状结构，是细胞内蛋白质加工和脂质合成的“车间”。内质网能有效增加细胞内的膜面积，并将胞内各种结构有机地连接成一个整体。按功能可分为滑面内质网和糙面内质网。糙面内质网上附着有核糖体，它是合成和加工蛋白质的场所；滑面内质网合成脂质，包括脂肪、磷脂和甾醇等。两种内质网的比例与所在细胞的功能有密切联系，例如，胰腺细胞中糙面内质网非常发达，这与胰腺细胞合成和分泌大量胰消化酶蛋白有关；而滑面型内质网在睾丸和卵巢细胞中较发达。

比利时的德狄夫（C. de Duve）通过生物化学方法，预测水解蛋白的酸性酶可能存在于特别的细胞区域。1949年该区域通过显微镜予以证实，被称为溶酶体。溶酶体是单层膜包裹的小泡，数目和大小不定，内含60多种可水解多糖、磷脂、核酸和蛋白质的酸性酶。溶酶体能分解衰老或损伤的细胞器，吞噬并杀死入侵的病毒或细菌。溶酶体pH值为5左右，这也是溶酶体中酶促反应的最适pH值。

过氧化物酶体1954年由罗丁（J. Rhodin）在鼠肾小管上皮细胞中发现。它由单层膜包裹，大小和形状具有异质性，在不同生物和不同发育阶段有所不同，呈圆形、椭圆形或哑铃形不等，内含一至多种依赖黄素的氧化酶和过氧化物酶。

不同的细胞器在细胞中倾向于位于特定的区域。一般细胞核位于细胞中心区域，内质网与细胞核外膜有连接，高尔基体位于细胞核和内质网附近。许多细胞器能通过接触或者化学信号彼此通信。例如，内质网中制造出的新蛋白质被输送到高尔基体，在那里经修改和包装后，运输到细胞其他位置。细胞核与其他细胞器之间也有联系，尽管细胞核与它所含DNA和其他细胞内结构没有物理上的联系，但细胞核可以通过蛋白质信号分子与细胞中的其他部分进行通信。

细胞内的细胞器类型和数量随细胞的功能有所不同。几乎所有动植物细胞都有细胞核，而哺乳动物成熟的红细胞几乎不含任何细胞器或遗传物质。肌肉细胞因为需要更多能量，通常比其他类型的细胞含有更多线粒体，以保证其有效工作。

研究细胞器的意义

细胞器自过去200年来逐渐发展成为细胞生物学的核心研究领域。各类细胞器造成细胞内区域化对细胞的功能至关重要，很多细胞赖以生存的生物过程需要被区域化。研究细胞器的发生、组装、动态、遗传和功能是理解细胞正常功能的关键。细胞器的形成有助于隔离体内发生的各类复杂化学反应。每一个动植物细胞的有膜细胞器都被包裹在膜内，有助于保持细胞器独特的功能，即使这个封闭区域的化学环境（如pH值）有波动，也不会影响整个细胞。

细胞器具有广泛的功能，大部分功能对细胞的生命活动至关重要。例如真菌、植物、动物细胞中的线粒体和叶绿体能将食品或阳光中的能量转化为可供细胞使用的能量（以ATP形式），ATP构成动物和真菌细胞的主要能量来源，也是植物的次要来源。线粒体还具有额外的功能，如细胞代谢调节和钙储存等。

研究细胞器也是探索人类疾病病理的关键所在。细胞器的缺陷会引起多种疾病，某些情况下甚至是致命的。例如，线粒体出现问题会导致能量代谢失调和氧化应激，这些均是阿尔茨海默病和帕金森病的病理发展的重要诱因；高尔基体不正常可能引起一些先天性疾病，如肝脏疾病、精神残疾和癫痫等。

细胞器研究新领域

真核细胞有复杂的结构，能在空间和时间上协调许多生化反应。实现协调功能的关键是细分到细胞器的胞内空间，这种划分是通过细胞膜实现的，它环绕细胞器形成物理屏障。由于成像技术的限制，过去发现的细胞器大多是由单层或双层膜包被的结构。细胞膜不是简单的机械屏障，而是高度有序的分子阵列，它主要包括脂质和蛋白质，加上酶的整合，使得细胞膜能参与不同的活动。细胞膜提供选择性的屏障，控制细胞与环境之间以及细胞内的物质交换。尤其是线粒体和叶绿体中，因为不同的酶参与的代谢反应被严格地限制着彼此的顺序关系，所以细胞膜上的酶的正常排序可大大增强效率。

此外，细胞通过复杂的机制严格调节内部物质的交流。细胞膜的包裹并不是细胞器必需的特征。随着技术的改进，越来越多的细胞内结构被发现，其中有很多结构并没有被细胞膜包裹，已发现的无细胞膜细胞器有核仁、染色体、核糖体、中心体、微管等。发现探索无膜细胞器是近20年来细胞生物学的前沿领域，无膜细胞器（如P小体和U小体）可通过液体分层实现生物功能，即一个重要生物过程或许可以在液—液相分离或液—固相界面完成。

P小体是真核生物细胞质中的无膜细胞器，存在于酵母、植物和动物细胞中。一般认为P小体含有的因子涉及mRNA降解、无义介导的mRNA降解、腺苷酸尿苷酸丰富的因子介导的mRNA降解、miRNA诱导的mRNA沉默。但不是所有基因进入P小体都会被降解，有些基因可以退出并重新启动翻译。

尿苷酸丰富的核小核糖核蛋白（U snRNP）是真核细胞中mRNA前体加工的关键物质。细胞核内的U snRNP富集于离散的细胞器里。以前的研究认为U snRNP在细胞质中呈弥散分布，而在2007年，笔者研究团队发现细胞质里的U snRNP可以集中在离散的无膜细胞器中。这种富集U snRNP的无膜细胞器被命名为U小体。除snRNP外，U小体还包含重要的snRNP组装机器，表明U小体是snRNP组装或进入细胞核之前的存放地点。U小体总是与P小体联系在一起，组成U小体—P小体通路，参与RNA的监控和降解。

另一个有意思的发现是一些代谢酶可以在细胞里组装成“蛇”形结构——笔者将之命名为“细胞蛇”。这些能形成细胞蛇的代谢酶包括对于核苷酸合成至关重要的胞苷三磷酸合成酶（CTP synthase， CTPS）和肌苷一磷酸脱氢酶（IMPDH）。细胞蛇是近 10 年来发现的无膜细胞器的典型代表。

细胞蛇的发现

笔者2007年8月在英国牛津大学建立自己的实验室，研究主题是以果蝇为模式生物，探索一种神经退行性疾病的致病机理。其中的主要目标是研究U小体和P小体的功能关系。P小体中有一种蛋白质叫作Cup，它是翻译起始因子的结合蛋白。笔者用4种不同来源的针对Cup的抗体，对雌性果蝇的生殖系统即卵巢组织，进行免疫化学染色，其中3种抗体如预期地标记上P小体，并呈现一团团不规则的球体结构。但出乎意料的是，第4种抗体除了染出P小体外，还标记出了长条形的丝状结构。果蝇卵巢组织里的卵泡有3种基本细胞类型：卵泡细胞、护理细胞和卵母细胞。这些丝状结构在每个卵泡细胞里大约有一根，而在护理细胞和卵母细胞中则能形成较大较粗的丝状结构，数量是一到几根。这种结构的形状和数量与纤毛很相似，当时以为在果蝇中找到了有纤毛的新细胞类型，为此激动不已。

纤毛在100多年前就被发现，一般认为纤毛没有功能，只是生命漫长进化过程中还没来得及被淘汰的细胞的残余结构。而最近20年中，纤毛的功能才开始被揭示。比如，人体几乎每个细胞都有纤毛，纤毛是细胞的信号中心，在早期发育中纤毛的转动方向决定内脏的左右不对称。而在果蝇中只发现3种细胞有纤毛，即化学感觉神经元、机械感受神经元和雄性果蝇的精子。

纤毛的一个显著特征是它的一端与一对中心粒相连，而中心粒含有不少标志性蛋白。如果这个丝状结构是纤毛的话，那么它的一端应该与中心粒关联。一系列实验表明，这种丝状结构与中心粒没有必然联系，遂将这种丝状结构称作“细胞针（cytoneedle）”，后又改称为“细胞蛇（cytoophidium）”，“cyto”和 “ophidium”源于希腊文的“细胞”和“蛇”。

既然不是纤毛，下一步就开始寻找细胞蛇的标志蛋白。最初的抗Cup抗体因为不纯而产生假象，交叉染色标记导致意外地发现细胞蛇。后用经过亲和纯化的抗Cup抗体就不能再标记细胞蛇了，证实Cup蛋白并不存在于细胞蛇内，试图通过筛选几百种抗体来寻找细胞蛇的标志蛋白，但进展一直很缓慢。

在笔者苦苦寻找细胞蛇的标志蛋白时，博士后期间的导师高尔（J. G. Gall）提醒笔者是否可以从布查克（M. Buszczak）建立的果蝇绿色荧光蛋白（green fluorescent protein，GFP）文库中寻找线索。之前，布查克的一项研究就是把GFP随机插入果蝇蛋白里，标记相应的果蝇蛋白，已建立几百株果蝇品系 [1]。巧合的是，布查克的果蝇品系里有一些蛋白可以形成纤维状结构，形状类似细胞蛇。笔者应用那个奇怪的抗Cup抗体对从两株果蝇品系取得的样品进行免疫化学染色，发现了完美的共定位，这两株果蝇品系的GFP被独立地插入果蝇CTPS中。

在许多细胞中，核苷酸CTP的合成是通过补救途径或从头合成途径完成的。CTP从头合成通路由十步反应组成，其中CTP催化是最后一步，也是速率限制步骤，更具体地，CTPS催化一组三个反应：激酶反应，谷氨酰胺酶反应和连接酶反应。

为验证CTPS是细胞蛇的组分，笔者搜寻了所有商业化的抗CTPS抗体，购买的若干种抗体可以分别识别来自人或酵母菌的CTPS。因为来自不同物种的CTPS序列比较相似，其中某些片段几乎完全一样。笔者实验室也自制了专门针对果蝇CTPS的抗体。最终用多种不同来源的试剂观察CTPS在果蝇细胞里的定位，它们均非常一致地展现出细胞蛇的分布模式。这样，可以确定CTPS在果蝇细胞内形成细胞蛇 [2]。

同年稍后，另外两个实验室独立报道了CTPS在细菌和芽殖酵母细胞中形成丝状结构 [3,4]。2011年，笔者在英国牛津大学实验室和美国佛罗里达大学Ed Chan实验室分别独立证实人和小鼠细胞中存在细胞蛇。

细胞蛇的基本特性

细胞蛇存在于果蝇卵巢组织的三种主要细胞中。在早、中期的卵泡，每个卵泡细胞含有一根细胞蛇。在光学显微镜下观察果蝇生殖细胞，可以明显看到两种类型的细胞蛇：一种是大而粗的大细胞蛇，长度30~40微米，每个细胞有一根或几根；另一种是小细胞蛇，在每个生殖细胞里有成千上万根，长度13微米。大细胞蛇可以由许多小细胞蛇融合加长而成，且成束加粗。为确定细胞蛇的功能，需要详细了解其装配过程。装配过程可通过与活体成像结合的药理学方法进行研究。细胞蛇的组装大体可分为五个阶段：成核、延伸、融合、成束和环化。在果蝇生殖细胞里可观察到小细胞蛇常常与高尔基体连在一起，尽管细胞蛇与高尔基体在功能上是否关联仍不清楚 [2]。但在行将凋亡的卵室里，大细胞蛇的数量明显较多。

果蝇生殖细胞中的大多数细胞蛇是线形的，而果蝇幼虫淋巴腺中的细胞蛇通常显示为环形或C形，目前尚不清楚形状不同的细胞蛇在功能上是否存在差别。CTPS可以在人细胞质和细胞核中形成细胞蛇，在裂殖酵母的细胞质和细胞核中也可观察到细胞蛇。

细胞蛇中第一个已知成分是CTPS [2,3,4]。为揭示细胞蛇的组成，经典方法是进行亚细胞水平的分离。CTPS过表达时，可在培养细胞中形成大细胞蛇，这些大细胞蛇可通过生物化学方法纯化。另一种可能的方法是进行全基因组筛选荧光标记的蛋白质，以寻找能形成纤维的蛋白质。在芽殖酵母中至少有23种蛋白质能像CTPS那样形成细胞蛇或类似结构 [5]。

细胞蛇的功能

近年的研究表明，细胞蛇的形成是调节代谢的一种基本方式 [6,7,8]。代谢酶形成细胞蛇结构可以减少酶活性结合位点，从而螯合酶的活性。数学模型研究表明，形成细胞蛇结构的好处是可以快速改变酶活性 [6,7]。形成细胞蛇也可能只是细胞储存酶的策略，以便容纳更多分子但不释放其活性。以纤维状存储无活性酶可以微调代谢过程。发育过程中，细胞蛇的装配和分解可以成为代谢“开关”，根据需要降低和增加酶活性。例如，果蝇幼虫中，滞育的神经干细胞形成的细胞蛇会在再活化期间解聚 [6]。

细胞蛇也可能充当代谢稳定剂或缓冲体系，以便有效对环境变化作出反应。以CTPS为例，当细胞需要更多活性CTPS时，来自细胞蛇结构的CTPS分子被释放到细胞质中，游离CTPS分子浓度增加。这一过程又促成活性CTPS四聚体的形成。当细胞只需要较少活性CTPS时，活性四聚体的数量可以通过重新组装成细胞蛇来减少。细胞蛇可以作为一个合作平台来提高多种代谢酶的效率，几种酶可在相同细胞蛇结构中共定位，以促进代谢通道。此外，增加相关蛋白质的局部浓度有利于代谢和其他生物过程的进行。

细胞蛇或许可以作为延长蛋白质寿命的方法。有证据表明，通过药物治疗形成细胞蛇可以增加蛋白质的稳定性，防止其被蛋白酶体或溶酶体降解。形成细胞蛇也可用作增加某些细胞（特别是快速生长细胞，如干细胞和癌细胞）复制能力的策略。研究表明，小鼠胚胎干细胞含有丰富的细胞蛇，而在干细胞的分化后代中细胞蛇会变少或消失。癌细胞中细胞蛇的形成可能是细胞获得快速增殖能力的标志。

在营养应激下，细胞中细胞蛇的大小和出现频率会有变化，表明形成细胞蛇可能有助于细胞应对压力 [6]。以细胞蛇形式包装代谢酶也可用于运输，这种包装对于神经元中的长距离运输是有利的。例如，把细胞蛇运输到突触，或许可以改变某些蛋白质在细胞局部范围的浓度。

有些物种中，细胞蛇还可能有细胞骨架的功能。例如，在弧形细菌中CTPS细胞蛇与中间纤维蛋白CreS配合，用以维持细胞形状。然而，这种作用可能是次生的，因为纤维状CTPS也发生于杆状的大肠杆菌 [4]和球形细胞中，如出芽酵母 [7]。

为什么会存在细胞蛇

细胞中为什么有细胞蛇存在，这是一个极具挑战的问题。目前已从经典细胞骨架的细丝如微管、微丝和中间纤维的研究中，了解到细丝的机械作用，并意识到更多的蛋白质和酶可以形成细胞蛇或类似细胞蛇的纤维结构。或许可以从目前所了解的细胞蛇的几个基本特点寻找线索。

首先，细胞蛇的形成是一种非常古老的现象。在地球生命的进化长河中，细菌与人类祖先“分道扬镳”已超过30亿年，但为什么在包括大肠杆菌和人等多种细胞里都存在 CTPS分子形成类似的细胞蛇？细胞蛇是自然形成的，还是自然界意外的“发明”？细胞蛇是否在远古时期就已成为用于代谢的聚合物，或者说是早期生命萌芽时随机分子群体代谢活动发生聚合的残余现象？CTPS和IMPDH都是合成基本核苷酸的关键，它们对这些核苷酸的浓度敏感。因此，当核苷酸被严格调控时，细胞蛇的形成或许在古RNA世界中就是非常重要的。

其次，细胞蛇广泛存在于各种生物体，形成细胞蛇应该是一个普遍的机制。但是，细胞蛇会是细胞中的一个基本单元吗？在不同种生物或不同细胞类型中，细胞蛇可能具有用于特定目的的次要功能。

第三，在自然选择过程中，CTPS可以聚集纤维化这一特性没有在自然选择压力下被淘汰，表明细胞蛇可能有益于生物的繁殖和生存。细胞蛇的形成是否会使反应更有效，或者让蛋白质更稳定？通过简单的组合形成细胞蛇可以增加细胞内大分子的多样性、异质性和稳定性。细胞蛇可以在空间和时间上扩展细胞的容量。

细胞器研究的展望

不同物种都含有CTPS丝状结构的现象表明，细胞蛇的形成可能具有重要的生物学功能，代表细胞中生产CTP和其他核苷酸的常见调控策略。最近的研究表明，细胞蛇是响应于代谢状态和外部环境压力的动态结构。以细胞蛇为代表的新型细胞器研究目前还处于起步阶段，可以设想的研究方向有以下几方面。

第一，绘制细胞器蛋白质图谱和RNA图谱：对细胞内的重要蛋白质和RNA亚定位及其动态进行系统分析。

第二，建立有膜和无膜细胞器与相关代谢通路结构和功能的关系网络：在不同生物体系中，利用多种生物化学和细胞生物学技术，结合多学科手段，从不同代谢组织细胞入手，绘制包括内质网、脂滴、内体、溶酶体、过氧化物酶体等在内的重要有膜细胞器，以及细胞蛇、P小体、U小体、RNA颗粒等无膜细胞器的代谢组图谱。

第三，深入理解细胞蛇、P小体、U小体等无膜细胞器组装的基本规律：探索细胞蛇作为长线形无膜细胞器，与其他球形无膜细胞器结构和功能的异同，以及可能的交互作用。

第四，多层面探索生物结构和功能的时空关系：在原子、分子、亚细胞、细胞、组织、器官、个体等水平解析生物结构与功能，为代谢疾病和癌症防治提供干预靶标。