無膜細胞器：「細胞蛇」

人胚腎細胞里的CTPS（綠色）和IMPDH（紅色）兩種細胞蛇 （Chang et al.， 2015)。細胞長成一張脫掉英國的歐洲地圖。

1、生命是什麼？

《時間表：世界歷史》。劉冀瓏 攝

在我的辦公桌上放著從牛津慈善商店淘的一本二手書Time line： History of the World，書名的中文意思是「時間表：世界歷史」。在喝咖啡的時候，我很喜歡翻閱這本書。作者把世界歷史以時間表的形式簡單列出，看上去驚天動地的事在歷史的沉澱下也不過寥寥數筆。該書的第一條就是公元前137億年宇宙始於大爆炸。

大約46億年前，太陽地球月亮相繼誕生。

大約38億年前，第一個細胞在地球上生成，標誌著生命的起源。

1943年2月，理論物理學家薛定諤在愛爾蘭都柏林的三一學院做了一場報告，主題是：「在活的生物的有限的空間里發生的時空上的事件如何藉由物理和化學來解釋」。

主題夠拗口的，但沒嚇住來捧場的400個聽眾。薛定諤在他的演講中講到，生命的一個重要特徵是秩序。一年後，他根據這場報告整理出版了一本小書，書名叫What Is Life？（《生命是什麼？》）。

這本書吹響了用物理方法研究生命科學的號角。有許多年輕的物理學家受此影響轉而研究生物學，其中包括劍橋大學的克里克（Francis Crick）。在35歲「高齡」攻讀生物學博士學位期間，克里克與一位美國來的23歲的博士後沃森(James Watson)相遇。他們在劍橋的老鷹酒吧常常一起飲酒聊天。1953年他們揭示了DNA雙螺旋結構，標誌著分子生物學的紀元。

2、細胞是什麼？

1665年，牛津大學校友虎克（Robert Hooke）出版了一本書Micrographia（《顯微圖譜》）。虎克繪畫功力了得，同時他折騰出了一個「玩具」——顯微鏡。虎克拿著他的顯微鏡，看見什麼小東西就拿來看看，然後畫下來，並用文字詳盡描述。虎克觀察的東西千奇百怪。比如，他觀察過針尖，隨後寫一頁紙描述針尖在顯微鏡下的樣子。

他還細緻觀察了廁所小便池裡的結晶，跳蚤和虱子等。有一次，他喝完葡萄酒，對著軟木塞就是一頓細看。他發現軟木塞有很多小室，有些象監獄的牢房，或是修道院的卧室。於是他稱這些結構為「Cell」 ，英文里是小房間的意思，中文翻譯成「細胞」。

後來別的科學家發現植物，動物的組織里都有這些小室，於是提出細胞是生命的基本單位。細胞學說正式確立。

3、細胞器是什麼？

如薛定諤所言，與非生命相比，生命增加了秩序和複雜性。對於細胞來說，增加秩序和複雜性的一個方式是區域化，就是不同的生物過程和生物分子在細胞里有其獨特的定位和結構。

或許我們可以把細胞比喻成一所學校。我們知道，學校里有教室，辦公室，實驗室，操場和宿舍等等功能結構不同的區域。自從虎克發現細胞以來，尤其是在過去200年里，科學家在細胞里發現了不同的區域。我們把細胞里不同的區域稱為細胞器，就好像是細胞里功能不同的器官。

地球早期出現的細胞沒有細胞核，我們稱之為原核細胞。後來進化的過程中，有一些細胞出現細胞核，這些細胞我們稱之為真核細胞。原核生物和真核生物大概在30億年之前就在進化樹上分開了。

1897年義大利科學家高爾基在細胞里用銀染法發現了多層網狀結構。次年這個結構被稱為高爾基體。在此後的50年里，學術界一直有人懷疑高爾基體是否真實存在，認為高爾基體是細胞受固定液影響的假象。

直到1950年代電子顯微鏡的應用，很多細胞學家在不同的細胞里發現類似的結構，高爾基體是真實的細胞器才獲得普遍承認。在過去一百多年中，對於高爾基體研究讓我們知道這是一個非常重要的細胞器 。

另一個細胞器經歷頗為曲折。纖毛，100多年前被發現。後來很多細胞里都發現有纖毛。但是絕大多數人認為纖毛沒有什麼用。因為大家一直找不到纖毛的確切功能，很多研究纖毛的科學家沒有飯吃，轉行做其他研究。在低潮的時候，很少的幾個實驗室仍然堅持做下去。

最近二十年有了轉機。現在大家知道身體中幾乎每個細胞都有纖毛。纖毛是信號轉導的中心。發育期間纖毛的轉動決定了我們身體內髒的左右不對稱。纖毛功能失常會導致疾病。纖毛成為細胞生物學的一個熱門方向。

線粒體從被發現迄今都是細胞生物學領域的明星，常青樹，不倒翁。線粒體被稱為細胞的能量工廠。生產作為能量載體的一種核苷酸ATP（三磷酸腺苷），是線粒體的一個重要功能。

你的每一個動作都會消耗ATP。你從飲食中獲得營養。營養會通過線粒體里的ATP合成酶生產ATP。ATP除了作為很多代謝反應的能量載體之外，也是合成核酸RNA和DNA的重要零件。合成RNA的四大基本核苷酸分別是ATP， CTP（三磷酸胞苷），UTP（三磷酸尿苷）和GTP（三磷酸鳥苷）。

在動物細胞，ATP合成酶主要定位在線粒體里。在植物細胞，ATP合成酶除在線粒體里之外，也定位在葉綠體里。近60年以來對於合成其他三種核苷酸起關鍵作用的代謝酶也獲得很深入的生物化學研究。

CTP合成酶（CTPS）以UTP為底物生產CTP。CTP合成的關鍵酶是由肌苷一磷酸脫氫酶（IMPDH）。儘管對CTPS和IMPDH的生物化學研究十分清晰，過去幾十年以來我們對於它們在細胞中的定位並不清楚。

4、細胞蛇是蛇嗎？

過去幾年裡我做了幾十場學術報告，很多是關於細胞蛇的報告。星期天早晨在電梯里偶遇一個研究生。他問我，「老師，您是研究蛇的嗎？」

2010年的夏天，三組科學家獨立報道了CTPS在果蠅，細菌和芽殖酵母中能形成纖維狀結構 。一年後， CTPS的這種形成纖維的特點在人類細胞中得到證實。

果蠅細胞里的細胞蛇（綠色），Liu 2010

這種纖維狀結構因為其形狀和蛇類似，我稱之為Cytoophidium。這個詞是希臘語「cyto」 （細胞）和「ophidium」（蛇）兩個片語合起來的，所以中間有兩個「o」。「Cytoophidium」是單數，它的複數形式是「Cytoophidia」。細心一點的讀者可能會發現，「Cytoophidium」這個單詞中可以找到C，T，P三個字母。

這是巧合嗎？

現在可以回答電梯口那位同學了，「同學，我不是研究蛇的，我是研究細胞蛇的」。細胞蛇不是蛇，它是細胞里形態類似蛇，含有CTPS或其他代謝酶的一種結構。

5、細胞蛇是怎樣被發現的？

2007年8月，我從美國跨過大西洋來到英國，在牛津大學組建實驗室，做博士生導師。因為某種原因，我接手了轉來的三個博士生。其中一位學生還有一年應該畢業。我感覺學生的實驗數據仍然不夠，覺得應該幫助她。於是我親手做實驗，希望加快學生課題的進度。

我們對果蠅生殖細胞里的兩種球形結構比較有興趣，想知道二者功能上的關係。這兩種球形結構分別稱為U body （U小體）和P body （P小體）。U是球形。P近乎球形，有時不很規則。

我們最初的努力集中於一個翻譯起始複合物的結合蛋白，該蛋白的名字叫Cup（杯子）。因為如果該基因突變了，果蠅的卵泡會變形，象杯子一樣。

Cup蛋白一般用作P小體的標記物。我使用來自不同來源的4個抗Cup 蛋白的抗體做免疫染色。其中3個如我預期，染出P小體。但是第四個抗體除了染出P小體之外，還染出了一種神秘的絲狀結構。這種結構在果蠅的護理細胞，卵母細胞和卵泡細胞都有。

這是一個很意外的觀察結果。

由於不想讓學生的課題擔當風險，我決定親自跟從這個偶然觀察。我推測這些絲狀結構是纖毛。接下來兩年里，我做了不同實驗試圖證實這個推測。但是證據一直不能讓人信服。

到了2009年，我的推測被實驗證實是錯的。這些結構不是纖毛。既然不是纖毛，我覺得有必要給它們取個名字。因為它們的絲狀蛇形形式，我將這些新穎結構稱作Cytoophidium（細胞蛇）。

我所觀察的細胞蛇與兩株綠色熒光蛋白（GFP）標記的CTPS蛋白的分布很像 。經過實驗，我發現標記細胞蛇的抗體和標記CTPS的GFP定位吻合。

為了確保萬無一失，我用三個特異性地識別CTPS蛋白不同區域的抗體進行免疫染色。所有結果無一例外，定位吻合。至此，我很肯定所觀察到的細胞蛇里含有CTPS。

我以為細胞蛇是生殖細胞特有的結構，但在用果蠅其他組織細胞進行的實驗結果顯示，含有CTPS的細胞蛇存在於許多組織，包括腦，腸，氣管，睾丸，附腺，唾液腺和淋巴腺。此外，在除果蠅外的其他物種細胞中也可觀察到細胞蛇。

2010年5月，我發表了一篇報道果蠅細胞里的這些觀察結果的文章。這是「Cytoophidium」（細胞蛇）這個詞第一次出現在公共知識區域。

兩個月後，CTPS被描述在細菌中形成絲狀結構。又過了一個月，發表於2010年8月的一篇論文表明，在芽殖酵母蛋白質CTPS也能形成絲狀結構。

在過去的六十年，科學家已經對CTPS蛋白的生物化學經過了深入的研究，因而在2010年夏天獨立發表的這三篇論文對研究CTPS的科學家來講既是出人意外，又是非同尋常的——CTPS分子可以形成細胞蛇這樣一個絲狀結構。

隨後，我的實驗室和另一個實驗室又分別證實CTPS也可以在人類細胞形成細胞蛇。我們進而發現裂殖酵母里細胞蛇的存在。在人、小鼠和酵母菌細胞里，細胞質和細胞核里我們均發現有細胞蛇。

裂殖酵母中的細胞蛇（綠色為CTPS，紫色為細胞核）（zhang et al.， 2014）

因此，細胞蛇代表了一種新發現的，在原核細胞和真核細胞里普遍存在的，進化上高度保守的細胞結構。

6、細胞蛇是細胞器嗎？

按字面意思，細胞器是指「細胞的器官」。在細胞里的獨特而且廣泛存在的結構，應該都屬於細胞器的範疇。

定義一個結構為細胞蛇必須滿足三個標準。 首先，它是絲狀結構（相對於球形結構如P小體，U小體）。第二，該結構通常含有代謝酶（有別於經典細胞骨架的微管，微絲和中間絲）。第三，該結構缺乏膜（不同於有膜的細胞器如線粒體，內質網，高爾基體和纖毛）。

這個定義滿足了定義細胞蛇為細胞器獨特性方面的要求。之前我們說過， 細胞蛇在原核細胞和真核細胞里普遍存在的，進化上高度保守。

歷史上由於電子顯微鏡下容易辨別有膜的細胞結構，人們過去常常認為細胞器必須有膜包裹。比如線粒體，細胞核，纖毛，溶酶體等。

隨著細胞生物學技術的提高，細胞內沒有膜的結構逐漸被發現。比如我們之前感興趣的在細胞質的U小體和P小體，還有細胞核里的柯哈小體（Cajal body）和組蛋白基因位點小體（histone locus body），都是無膜的結構。細胞蛇也沒有膜包裹。一般來講，我們認為這些結構是新類型的無膜細胞器，與傳統意義的被膜包裹的細胞器不同。按照這個定義，細胞蛇是一種無膜細胞器。

7、為什麼會有細胞蛇？

坦率地講，我不知道答案。我們正在探索這個問題。幾個特點需要考慮。首先，細胞蛇的形成是一個非常古老的現象。細菌和人類細胞的祖先在進化樹上30億年前就已經分離，但他們的CTPS分子都能形成細胞蛇。

其次，細胞蛇廣泛存在於不同細胞里。因此，細胞蛇可能參與到細胞組織功能的一些基本機制中。

第三，細胞蛇在原核與真核細胞中的普遍存在表明， CTPS形成的細胞蛇並沒有在進化的壓力下被拋棄。這表明細胞蛇對於一個生物體的繁殖和存活是有益的。

8、為什麼要研究細胞蛇？

含CTPS纖維狀結構在不同物種中普遍存在表明，細胞蛇的形成可能具有極其重要的生物學功能，並可能參與到細胞生產CTP和其他核苷酸的共同管理策略中。極為重要的是，與經典的細胞器類似，細胞蛇的調控失常會與人類疾病有關聯。

2014年幾個研究組對細胞蛇或類似的結構對於代謝調控的作用和機製做出了詳細研究。這四個研究均認為CTPS聚合形成蛇形結構可以快速讓酶活性降低。最近的研究也表明，細胞蛇是動態的結構，與代謝狀態和環境條件有關 (Shen et al.， 2016)。

GTP合成的限速反應由IMPDH催化。有趣的是，IMPDH形成絲狀結構，非常類似含CTPS的細胞蛇。進一步研究表明這兩種細胞蛇相互獨立又互相作用。

最近的研究表明，越來越多的代謝酶可以在特定條件下形成細胞蛇或同類結構。對4159個芽殖酵母蛋白進行篩選，我們找到至少23個蛋白可以形成類似於細胞蛇的纖維狀結構，與之前的一個稍小規模的研究吻合。

這些具有形成纖維狀結構的蛋白大多是代謝酶，它們集中在與翻譯起始，葡萄糖和氮代謝相關的幾個通路上。

遺傳學報（JGG）2016年6月封面，顯示芽殖酵母中「細胞蛇結構」蛋白之間的相互關係

1978年，威廉姆斯和他的同事發現，在肝癌中CTPS活性升高。隨後的研究表明，CTP水平失控和增加CTPS活性是許多種癌症（例如白血病，肝細胞瘤和結腸癌）的一個特徵。我們正試圖探索細胞蛇組裝和癌症發生的關係。CTPS1對淋巴細胞增殖非常關鍵。此外，CTPS對於生殖和大腦發育很重要。

最近我們在果蠅中的研究顯示，原癌基因Myc和CTPS相互影響，一方面Myc調控CTPS組裝成細胞蛇，另一方面CTPS影響Myc介導的對細胞大小的控制。CTPS組裝成細胞蛇也受非受體酪氨酸激酶Ack和E3泛素連接酶Cbl的調控。

CTPS也一直是藥物開發中針對病毒性疾病和寄生蟲病（例如非洲昏睡病，瘧疾和感染性失明）的有吸引力的靶標。 CTPS組裝成細胞蛇的特性或許可以考慮應用於治療病毒感染或抗寄生蟲靶向藥物的設計。

細胞蛇是細胞生物學的新領域。多學科手段和尖端技術將加速我們對細胞蛇的系統理解。對細胞蛇的研究尚處於起步階段。許多懸而未決同時又意義重大的問題，預示著細胞蛇的研究將成為一件非常令人興奮的事情。

本文來源：知識分子 劉冀瓏

本期編輯：fenger

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