2013諾貝爾生理學(xué)獎深度解讀

1、【2013諾貝爾獎】生理學(xué)獎深度解讀：囊泡運輸，細 胞的“物流系統(tǒng)”一個細胞就好比一個人類社會。人類社會有多復(fù)雜，細胞活動就有多精妙。在日 常生活中，我們需要進行有效率的生產(chǎn)生活，就必須有效率地調(diào)配生產(chǎn)資料與生 活資源一一因此，我們需要建立周密有效、安排得當?shù)奈锪飨到y(tǒng)。細胞也一樣， 基因的表達產(chǎn)物需要定位到不同的地點行使功能：膜蛋白需要奔向自己的靶位 點、胰島素需要分泌出細胞外、神經(jīng)遞質(zhì)需要擴散到下一個神經(jīng)細胞要在正 確的時間把正確的細胞貨物運送到正確的目的地，細胞的物質(zhì)轉(zhuǎn)運機制之精妙， 比無數(shù)物流師嘔心瀝血的杰作都更勝一籌。而囊泡運輸(vesicle trafficking)， 正是這一機制

2、的重要組分。James E. Rothman2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎于10月7日頒布。圖片來源：昨天，2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎被授予發(fā)現(xiàn)囊泡轉(zhuǎn)運機制的詹姆斯羅斯 曼、蘭迪謝克曼和托馬斯聚德霍夫3位科學(xué)家。今天，讓我們來看一下，大自 然的物流師究竟是如何運籌于帷幄之中，決勝于細胞內(nèi)外的呢？ 細胞中包括蛋白質(zhì)在內(nèi)的大多數(shù)分子都太大了，以致于不能直接穿過細胞中的膜 結(jié)構(gòu)。于是，這些分子的運輸需要依賴一種叫囊泡的細胞結(jié)構(gòu)這種有膜包被 的小型泡狀結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒋\輸?shù)姆肿影饋?，送到目的地去釋放掉?？梢韵胂螅?這種泡狀的“集裝箱”在運送細胞貨物的過程中是極為重要的裝備。因此，在細胞 中，尤其是

3、在細胞質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以及高爾基體中，囊泡的形成是持續(xù)不斷的。這 些“集裝箱”一旦被生產(chǎn)出來就馬上投入使用，帶著它們的貨物奔向細胞內(nèi)或細胞 外的目的地。囊泡之所以能夠完成轉(zhuǎn)運任務(wù)，是因為囊泡的膜與細胞質(zhì)膜以及細 胞內(nèi)膜系統(tǒng)的組成成分是相似的，能夠通過出芽的方式脫離轉(zhuǎn)運起點、通過膜融 合的方式歸并到轉(zhuǎn)運終點。囊泡轉(zhuǎn)運過程的第一步是膜通過出芽方式形成一個囊泡。囊泡的外表面被蛋白包 被。通過改變膜結(jié)構(gòu)的構(gòu)象，這些蛋白將促使囊泡形成。這些囊泡被分成披網(wǎng)格 蛋白小泡、COPI被膜小泡以及COPII被膜小泡三種類型。披網(wǎng)格蛋白小泡穿梭 于外側(cè)高爾基體和細胞質(zhì)膜之間，COPI被膜小泡則主要介導(dǎo)蛋白質(zhì)從高爾基體

4、運回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。COPII被膜小泡則介導(dǎo)非選擇性運輸。利用無細胞反應(yīng)，蘭迪謝 克曼成功分離了 COPII復(fù)合體，并首次純化了跨細胞器轉(zhuǎn)運的囊泡。利用一系 列研究成果，謝克曼最終發(fā)現(xiàn)了囊泡轉(zhuǎn)運機制。三類囊泡運輸通路的示意圖，箭頭指示囊泡運輸方向。紅色：COPI被膜小泡；綠色：COPII被膜小泡；深藍色：披網(wǎng)格蛋白小泡；ER：內(nèi)質(zhì)網(wǎng);Golgi:高爾基體;Endosome：內(nèi)體；Multivesicular body orlysosome：多泡體或溶酶體。圖片來源: 三種囊泡介導(dǎo)不同途徑的運輸，分工井井有條。在“細胞碼頭”中，這些“集裝箱” 的吞吐量是驚人的。在培養(yǎng)的成纖維細胞中，光是從細胞質(zhì)膜上脫離

5、下來的披網(wǎng) 格蛋白小泡，每分鐘就大約有2500個之多。然而，光有足夠多的箱子裝載貨物 顯然是不夠的。在這種熙熙攘攘的細胞環(huán)境下，囊泡轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的運作不但要有條不紊，更要及時高效。為了讓囊泡朝著正確的方向前進，細胞會布置堅固的微絲 和微管為囊泡構(gòu)筑“快速運輸通道”。在這些細胞骨架之上，一些特別的分子馬達， 如動力蛋白和驅(qū)動蛋白會背負著囊泡的一步一步向目的地邁進。分子馬達與裝載 特定貨物的囊泡之間是嚴格配對的，一些類型的囊泡甚至可以配備“飛行器”級別 的運輸動力。Vesicles Travel Cellular HighwaysDynein：動力蛋白；Kinesin：驅(qū)動蛋白；Vesicle：囊泡；

6、Microtubule：微管。圖片來源：附著在微管之上的分子馬達示意圖。有了箱子，也有了車子，剩下的問題，就是將貨物準確地送到目的地了。細胞物 流的精髓便在于精確地轉(zhuǎn)運和投放貨物。要實現(xiàn)這一點，膜融合的過程就不能出 現(xiàn)半點差池。囊泡與靶位點膜結(jié)構(gòu)的融合過程包括兩個事件：首先，囊泡必須特 異性地識別目標膜。例如運輸溶酶體酶的囊泡就只能把貨物轉(zhuǎn)運到溶酶體。其次， 囊泡必須與目標膜發(fā)生融合，從而釋放內(nèi)容物。經(jīng)過大量研究，科學(xué)家們已經(jīng)建立了一個囊泡膜融合模型。模型中，囊泡與靶位 點之間的相互作用由獨特的跨膜蛋白介導(dǎo)。詹姆斯羅斯曼和同事提出了 SNARE 假說：他們發(fā)現(xiàn)動物細胞融合需要可溶性蛋白NSF以

7、及可溶性NSF附著蛋白 SNAP的參與。NSF蛋白和SNAP蛋白能夠介導(dǎo)不同類型的囊泡的膜融合過程， 這意味著它們本身沒有特異性。因此，羅斯曼假設(shè)，膜融合的特異性是由SNAP 受體蛋白，也就是SNARE提供的。按照他的假設(shè)，每一種運輸囊泡中都有一個 特殊的V-SNARE標志，能夠與目標膜上的T-SNARE相互作用。只有接觸到相 互對應(yīng)的位點，囊泡和目標膜才會形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)進行融合。除了 SNARE蛋白 之外，膜融合還需要Rab蛋白的參與，在不同的囊泡轉(zhuǎn)運過程中行使功能的Rab 蛋白超過30種。這些蛋白能夠結(jié)合GTP并將GTP水解，從而改變自己的構(gòu)型， 幫助囊泡與目標膜結(jié)合。Vui.ii I，V

8、-SNARF1-SNARISNAPsSNAPiX Doditnj；F LisicriiI Disassembly oi T SNABJ 亡Diiipk涎膜融合過程示意圖。膜融合由特定的V-SNARE（位于囊泡上）與T-SNARE （位于目標膜上）蛋白結(jié)合介導(dǎo)。Rab蛋白促進V-SNARE/T-SNARE復(fù)合體的形成。圖片來源：由于細胞物流系統(tǒng)的正常運作對細胞乃至有機體的健康實在是至關(guān)重要，上述的 一系列過程都在嚴格的調(diào)控之下進行。而突觸位置的囊泡運輸又可謂是重中之 重。托馬斯聚德霍夫致力于神經(jīng)突觸的研究。他發(fā)現(xiàn)了一種被稱為突觸結(jié)合蛋 白的跨膜蛋白，這種蛋白是鈣離子感受器，能夠發(fā)動囊泡融合，釋放

9、神經(jīng)遞質(zhì)。 當受到刺激時，神經(jīng)細胞內(nèi)部的鈣離子濃度會增加。一旦囊泡上的突觸結(jié)合蛋白 與鈣離子結(jié)合，囊泡就會通過與SNARE等蛋白的相互作用，按需要快速或緩慢 地釋放神經(jīng)遞質(zhì)。除了突觸結(jié)合蛋白之外，聚德霍夫還發(fā)現(xiàn)了一系列SNARE蛋 白成員（如SNAP-25），以及包括RIM蛋白和Munc蛋白在內(nèi)的、協(xié)助囊泡釋 放神經(jīng)遞質(zhì)的蛋白質(zhì)。這些發(fā)現(xiàn)支持并豐富了羅斯曼的SNARE假說，使得囊泡 轉(zhuǎn)運的分子機制越發(fā)明朗起來。神經(jīng)遞質(zhì)釋放機制模型局部示意圖。突觸結(jié)合蛋白Syt1與鈣離子結(jié)合，發(fā)動膜融合過程。圖中所示為激活區(qū)主要蛋白(RIMs, Munc13s, RIM-BPs)的結(jié)構(gòu)、鈣離子通道以及已完成部分

10、組裝的SNARE復(fù)合體(由囊泡相關(guān)膜蛋白Synaptobrevin、SNAP-25、突觸融合蛋白Syntaxin組成)。圖片來源：Thomas C.Sudhof et al.2011. Cell向細胞學(xué)習(xí)如何構(gòu)建出色的物流管理系統(tǒng)也許離我們的生活有些遠，但從囊泡轉(zhuǎn) 運過程洞察我們的健康狀況，卻是科學(xué)家們已經(jīng)在做的事情。對很大一部分生理 過程而言，囊泡轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的正常運作都是至關(guān)重要的。在包括一系列神經(jīng)和免疫 學(xué)疾病、糖尿病等疾病中，科學(xué)家們從患者身上觀察到了的囊泡轉(zhuǎn)運的缺陷。這 些缺陷與這些疾病的具體關(guān)系一旦得以闡明，我們或許有可能找到攻克這些疾病 的思路。這些未來的可能性，都建立在羅斯曼、謝克

11、曼和聚德霍夫和無數(shù)科研人 員在囊泡轉(zhuǎn)運領(lǐng)域的探索之上。細胞能教給我們的事情還有很多很多，而科研人 員的每一步探索，都是向生命求教，并向新生命提供知識與希望的過程。對此， 我們也許應(yīng)該心存感激。參考資料：王金發(fā).細胞生物學(xué)科學(xué)出版社.2003.387-407.OConnor, C. M. & Adams, J. U. Essentials of Cell Biology. Cambridge, MA: NPG Education,2010.Unit 3.3Geoffrey M. Cooper. The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. Sunderland (MA): SinauerAssociates; 2000.416-420.Kaeser PS, Deng L, Wang Y, Dulubova I, Liu X, Rizo J, Sudhof TC.RIM proteins tether Ca2+channels to presynaptic active zones via a direct PDZ-domain interaction.Cell. 2011.144:282-95.Sollner T, Whiteheart W, Brunner M, Erdjument-Bromage H, Ge