2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)解讀

宋婀莉

2013年10月7日，瑞典皇家科學(xué)院將本年度的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了三位美國(guó)生物學(xué)家：耶魯大學(xué)的James E.Rothman，加州大學(xué)伯克利分校的Randy W.Schekman，和斯坦福大學(xué)的Thomas C.Südhof。他們的獲獎(jiǎng)理由是，在“細(xì)胞內(nèi)囊泡運(yùn)輸?shù)恼{(diào)節(jié)機(jī)制”領(lǐng)域做出了開創(chuàng)性的杰出貢獻(xiàn)。對(duì)于非微觀生物學(xué)的人士來說，“囊泡”是一個(gè)未知的、抽象的概念，但是其實(shí)“囊泡”和我們每個(gè)人的飲食、健康都是息息相關(guān)的。本文將從科普的角度給大家解讀本次諾貝爾獎(jiǎng)的工作，以及探討對(duì)我們的啟示。

1.“囊泡”是什么？

生命體是由細(xì)胞組成的，而生物膜構(gòu)成了細(xì)胞之間以及細(xì)胞內(nèi)的各細(xì)胞器之間的屏障，從而使一些重要的生命活動(dòng)能在一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行（圖1）。這些獨(dú)立區(qū)間的出現(xiàn)體現(xiàn)了生物進(jìn)化的選擇，但同時(shí)也產(chǎn)生了細(xì)胞內(nèi)各細(xì)胞器之間、細(xì)胞與細(xì)胞之間的信號(hào)、物質(zhì)和能量交換的需求。細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)交換主要是通過膜包裹的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)完成的。細(xì)胞內(nèi)的大分子物質(zhì)和一部分小分子物質(zhì)往往包裹在囊泡膜內(nèi)（如激素、神經(jīng)肽類物質(zhì)等）或位于囊泡膜上（如受體蛋白、離子通道蛋白等），借助囊泡的運(yùn)輸和與細(xì)胞膜的融合實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)或跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。

囊泡的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)相當(dāng)于細(xì)胞內(nèi)的物流系統(tǒng)，具有重要的生理和病理意義，例如：突觸小泡在鈣離子的刺激下釋放神經(jīng)遞質(zhì)傳遞神經(jīng)信息；致密核心大囊泡儲(chǔ)存內(nèi)分泌激素，并通過將激素釋放到血液循環(huán)中實(shí)現(xiàn)體內(nèi)的激素調(diào)控；免疫細(xì)胞內(nèi)的免疫因子、細(xì)胞因子等也是存在于大囊泡中，在免疫應(yīng)答與防衛(wèi)中起重要作用；細(xì)胞膜上的重要功能蛋白如受體、離子通道、轉(zhuǎn)運(yùn)體等也是通過囊泡胞吐或胞吞實(shí)現(xiàn)上膜或下膜，對(duì)于細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)節(jié)具有重要意義；近年來發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元的生長(zhǎng)也需要一類囊泡的參與，該囊泡與細(xì)胞膜的不斷融合為神經(jīng)突起的生長(zhǎng)提供脂膜的支撐；另外，病毒侵入細(xì)胞實(shí)際上也是一個(gè)膜轉(zhuǎn)運(yùn)和膜融合的過程。由此可見，細(xì)胞內(nèi)囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)和融合是一個(gè)受著精細(xì)調(diào)控的生物學(xué)過程，而且也是一個(gè)具有重要生理意義的基本生命活動(dòng)，與一些常見的復(fù)雜性疾病密切相關(guān)，如：2型糖尿病的發(fā)病機(jī)制中，胰島素抵抗和胰島素分泌不足是最主要的原因，其中涉及胰腺beta細(xì)胞中分泌胰島素的致密核心囊泡和胰島素的靶器官中響應(yīng)胰島素刺激的葡糖糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4（GLUT4）囊泡。

2.三位諾貝獎(jiǎng)獲得者在此領(lǐng)域中的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)

2013年獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)的三位科學(xué)家在細(xì)胞內(nèi)的囊泡運(yùn)輸領(lǐng)域都做出了開創(chuàng)性的杰出貢獻(xiàn)，他們利用不同的技術(shù)手段（體內(nèi)遺傳學(xué)篩選或體外重組等），在不同細(xì)胞體系中（酵母細(xì)胞或哺乳動(dòng)物細(xì)胞等）發(fā)現(xiàn)了囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的關(guān)鍵調(diào)控蛋白，并揭示了囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)是如何被精細(xì)調(diào)控的分子機(jī)制。

James E.Rothman最重要的貢獻(xiàn)在于他發(fā)現(xiàn)了在囊泡錨定和融合過程中起決定性作用的蛋白質(zhì)復(fù)合物——SNARE蛋白復(fù)合體，即囊泡與細(xì)胞膜的融合過程需要細(xì)胞膜上的t-SNARE蛋白與囊泡上的v-SNARE蛋白識(shí)別并相互作用，這也揭示了囊泡融合所需要的最小結(jié)構(gòu)單元。

Randy W.Schekman以酵母為模式生物，通過遺傳學(xué)篩選發(fā)現(xiàn)了一系列參與細(xì)胞內(nèi)囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控基因，即Sec家族基因。這些調(diào)控基因可以被分為三大類，分別調(diào)控細(xì)胞內(nèi)囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)過程的不同步驟，包括囊泡在高爾基體上的轉(zhuǎn)運(yùn)，囊泡在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體之間的轉(zhuǎn)運(yùn)，以及囊泡到細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)。

Thomas C.Südhof發(fā)現(xiàn)了觸發(fā)突觸囊泡融合的鈣敏蛋白synaptotagmin，并揭示了鈣離子如何在正確的時(shí)間和正確的地點(diǎn)調(diào)節(jié)神經(jīng)元中神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。此外，他還發(fā)現(xiàn)了一系列與SNARE蛋白相互作用的分子，包括MUNC18、MUNC13蛋白等，這些蛋白與SNARE復(fù)合體相互作用形成一個(gè)更大的分子機(jī)器，協(xié)助SNARE復(fù)合體的形成和功能的發(fā)揮，但其具體的作用機(jī)制仍然不是十分清楚，仍是該領(lǐng)域亟待解決的重要科學(xué)問題之一。

3.囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)意義

在歷史上，“囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)”及其相關(guān)研究已獲得了四次諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，分別是1970年、1974年、1999年和2013年。早在1970年，Sir Bernard Katz，Ulf von Euler and Julius Axelrod三人由于發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)末梢中的液體性傳遞物質(zhì)及其貯存、釋放和抑制機(jī)理獲得生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1974年，Albert Claude，Christian de Duve and George E.Palade三人因?yàn)榻沂玖思?xì)胞的內(nèi)膜結(jié)構(gòu)和功能組織獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1999年，Günter Blobel被授予諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)以表彰他發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)存在內(nèi)在信號(hào)來控制其在細(xì)胞內(nèi)的傳遞和定位。2013年的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)則是授予了發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的物流系統(tǒng)“囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)”的三位科學(xué)家James E.Rothman，Randy W.Schekman和Thomas C.Südhof。四次獲得諾貝爾獎(jiǎng)，可見囊泡運(yùn)輸領(lǐng)域在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的重要性。

在漫長(zhǎng)的生命進(jìn)化中，生命體從簡(jiǎn)單的原核生物進(jìn)化到擁有復(fù)雜內(nèi)膜系統(tǒng)的真核生物，用了21.6億年時(shí)間，可見內(nèi)膜系統(tǒng)及其之間的轉(zhuǎn)換和交流對(duì)于真核生物生命的維持和調(diào)控起著至關(guān)重要的作用。長(zhǎng)期以來科學(xué)家對(duì)于細(xì)胞內(nèi)的各個(gè)細(xì)胞器如何既能維持其各自獨(dú)立性,又能有條不紊地進(jìn)行相互交流以保證細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行著不斷的研究和發(fā)現(xiàn)。四次諾貝爾獎(jiǎng)的獲得一次又一次地推動(dòng)著此領(lǐng)域的不斷發(fā)展，但是其中還有很多迄今為止人類仍未揭示的現(xiàn)象和機(jī)制。

4.囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)領(lǐng)域的研究展望

2005年《Science》雜志總結(jié)了未來25年需要回答的125個(gè)重要科學(xué)問題，其中的一個(gè)問題是“維持細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸暢通的機(jī)制是什么”（“What keeps intracellular traffic running smoothly?”）。對(duì)該問題的進(jìn)一步解釋是：“Membranes inside cells transport key nutrients around, and through various cell compartments without sticking to each other or losing their way. Insights into how membranes stay on track could help conquer diseases”。這段話說明兩層意思，一層是細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸主要是通過生物膜來完成的，而生物膜產(chǎn)生形變、形成運(yùn)輸囊泡、在擁擠的胞內(nèi)環(huán)境和各個(gè)細(xì)胞器之間穿梭而又不會(huì)迷路都依賴于多個(gè)蛋白質(zhì)機(jī)器的保障，然而目前還有很多這類的蛋白質(zhì)機(jī)器仍是未知的,這些蛋白質(zhì)機(jī)器如何工作需要人們?nèi)ソ沂荆涣硪粚右馑际悄まD(zhuǎn)運(yùn)與多種疾病相關(guān)，揭秘這些蛋白質(zhì)機(jī)器的構(gòu)成和分子機(jī)制對(duì)人類征服疾病具有重要意義。2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給囊泡運(yùn)輸領(lǐng)域并不意味著人們對(duì)細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的物質(zhì)運(yùn)輸系統(tǒng)已經(jīng)非常了解，相反正是對(duì)這一研究方向重要性的肯定，同時(shí)也將開啟新一輪對(duì)細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸機(jī)制探索的熱潮。前期的研究已經(jīng)搭建了囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)研究的初期框架，隨著新的成像技術(shù)和遺傳操作技術(shù)的發(fā)展，囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)過程中很多尚未被揭示的問題將會(huì)被進(jìn)一步闡明，必將對(duì)相關(guān)疾病的研究和治療提供新的理論依據(jù)和治療方向。

5.國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域取得的杰出成果

近年來，我國(guó)在囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)以及相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)形成了良好的工作積累和團(tuán)隊(duì)力量，并取得了一系列突出的研究成果。清華大學(xué)隋森芳課題組運(yùn)用電鏡結(jié)構(gòu)解析技術(shù)，解析了SNARE與NSF蛋白的復(fù)合體結(jié)構(gòu)，為闡明SNARE復(fù)合體解聚的分子機(jī)制提供了曙光，論文發(fā)表在Nature Structural and Molecular Biology上。華中科技大學(xué)馬聰組在SNARE復(fù)合體的組裝上提出了新的機(jī)制，論文發(fā)表在Science等雜志。清華大學(xué)俞立組闡述了自噬溶酶體再生現(xiàn)象，并對(duì)其管狀結(jié)構(gòu)的發(fā)生機(jī)制進(jìn)行了深入研究，研究成果發(fā)表在Nature, Nature Cell Biology,PNAS等雜志。中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所張宏研究組在細(xì)胞自體吞噬作用的機(jī)理和調(diào)控機(jī)制方面做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)參與自噬作用的特異基因，豐富了人們對(duì)多細(xì)胞生物體中自噬作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)，相關(guān)成果發(fā)表在Cell，Autophagy等雜志。中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所陳佺組在線粒體融合和分裂機(jī)制及其在細(xì)胞凋亡中的功能方面取得了重要進(jìn)展，論文發(fā)表在Nature Cell Biology等雜志。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所劉佳佳組在胞內(nèi)體管狀結(jié)構(gòu)的貨物分選與卸載機(jī)制方面進(jìn)行了深入研究，論文發(fā)表在Nature Cell Biology等雜志。浙江大學(xué)段樹民課題組在膠質(zhì)細(xì)胞溶酶體分泌和遷移中的塑形等方面的研究成果發(fā)表在Nature Cell Biology等雜志。中國(guó)科學(xué)院上海神經(jīng)所羅振革組對(duì)囊泡在軸突形成中膜塑形的作用和機(jī)制進(jìn)行了深入研究，相關(guān)論文發(fā)表在Developmental Cell等雜志。

通過近年的努力，我國(guó)在囊泡運(yùn)輸以及相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，建立了相關(guān)研究的特色平臺(tái)，如電鏡分析、電生理、分泌囊泡動(dòng)力學(xué)、活細(xì)胞成像技術(shù)、超高分辨顯微成像技術(shù)、光電一體化融合技術(shù)等跨學(xué)科的形態(tài)與功能分析平臺(tái)，并建立了多種不同模式動(dòng)物（如小鼠、斑馬魚、果蠅、線蟲等）表型分析平臺(tái)和積累了豐富的突變體資源。隨著囊泡運(yùn)輸在2013年獲得諾貝爾獎(jiǎng)，囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)乃至細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸相關(guān)領(lǐng)域的研究再次引起了大家的高度關(guān)注，并將掀起新的研究熱潮，我國(guó)的一大批優(yōu)秀的科學(xué)家有望在該領(lǐng)域中取得更大的開創(chuàng)性研究成果。

推薦閱讀[1-8]：

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9.劉貝，宋婀莉，徐濤，細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸系統(tǒng): 2013 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)解析，科學(xué)通報(bào)，2013年，第58卷，第34期：3487- 3488.

備注：

1.本文中使用的圖片均為引用，引用來源詳見圖注。

2.本文與作者發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》2013年第58卷第34期的文章“細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸系統(tǒng): 2013 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)解析”內(nèi)容有所雷同。