細(xì)胞的“快遞員”

楊先碧

在電子商務(wù)高度發(fā)達(dá)的今天，快遞員在各地的大街小巷中穿梭，把包裹快遞到各家。在我們身體內(nèi)，也有不少“快遞員”在忙忙碌碌地輸送著各種物質(zhì)，有的是營養(yǎng)物，有的是垃圾，有的甚至是毒素。其中有一類“快遞員”是專門幫助細(xì)胞運輸物質(zhì)的，這個“快遞員”的名字叫囊泡。囊泡究竟是怎樣運輸物質(zhì)的呢？三位科學(xué)家對此進(jìn)行了深入研究，他們因此獲得了2013年生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。這三位科學(xué)家分別是美國生物學(xué)家詹姆斯·羅斯曼、蘭迪·謝克曼和德國生物化學(xué)家托馬斯·祖德霍夫。

細(xì)胞內(nèi)的運輸系統(tǒng)

生物體內(nèi)的細(xì)胞也像一個個小小的工廠，它們不但會吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，而且也會生成人體所需的有益化學(xué)物質(zhì)，同時產(chǎn)生一些廢棄物。血液就像人體內(nèi)的長途運輸公司，可把細(xì)胞產(chǎn)生的一些物質(zhì)運輸?shù)饺砀魈?。然而，這些物質(zhì)不能直接從細(xì)胞內(nèi)到達(dá)血液中，它們得靠囊泡這個“快遞員”來幫忙運送。這些小小的囊泡十分機(jī)動靈活，可以隨意地和細(xì)胞膜融合或分離。因此，也可以說囊泡是某些物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的“鑰匙”。

囊泡為真核細(xì)胞中十分常見的膜泡結(jié)構(gòu)。它不像內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基復(fù)合體、溶酶體和過氧化物酶體這些細(xì)胞器那樣作為一種相對穩(wěn)定的細(xì)胞內(nèi)固有結(jié)構(gòu)存在，但仍然是細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)不可或缺的重要功能結(jié)構(gòu)組分。承擔(dān)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)定向運輸?shù)哪遗蓊愋椭辽儆?0種以上。

囊泡運輸?shù)奈镔|(zhì)包括胰島素、激素、生物酶、神經(jīng)遞質(zhì)等重要的生物大分子。假如囊泡運輸系統(tǒng)發(fā)生病變，細(xì)胞運輸機(jī)制便隨即不能正常運轉(zhuǎn)，可能導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)病變、糖尿病以及免疫紊亂等嚴(yán)重后果。諾貝爾獎評選委員會在聲明中說：“沒有囊泡運輸?shù)木_組織，細(xì)胞將陷入混亂狀態(tài)?！?/p>

揭示囊泡的秘密

長期以來，囊泡一直被視為細(xì)胞運輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，但囊泡是如何到達(dá)正確的目的地、與細(xì)胞器或細(xì)胞膜融合以傳遞分子貨物的，似乎一直很神秘。2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的三位獲獎?wù)?，正是發(fā)現(xiàn)了這些囊泡運輸物質(zhì)的關(guān)鍵秘密：它們會把物質(zhì)在正確的時間傳遞到正確的地點。

謝克曼發(fā)現(xiàn)了囊泡的基因秘密，他發(fā)現(xiàn)能控制細(xì)胞傳輸系統(tǒng)不同方面的三類基因，從基因?qū)用嫔蠟榱私饧?xì)胞中囊泡運輸?shù)膰?yán)格管理機(jī)制提供了新線索。早在20世紀(jì)70年代，謝克曼就對細(xì)胞如何組織運輸系統(tǒng)很著迷，他決定用酵母作為模型系統(tǒng)，研究其遺傳基礎(chǔ)。通過研究，他發(fā)現(xiàn)由于某些基因的變化，會導(dǎo)致囊泡堆積在細(xì)胞的特定部位，造成類似公交擁堵現(xiàn)象，通過逐步定位這些基因，他發(fā)現(xiàn)了三類調(diào)節(jié)囊泡運輸?shù)幕颉?/p>

謝克曼對于酵母中細(xì)胞運輸系統(tǒng)的研究，讓人們深入了解了酵母生產(chǎn)和轉(zhuǎn)運各種物質(zhì)的精確機(jī)制，他的成果極大地促進(jìn)了現(xiàn)代生物、制藥工業(yè)的發(fā)展。20世紀(jì)八九十年代，謝克曼的研究成果使生物產(chǎn)業(yè)得以利用酵母分泌系統(tǒng)生產(chǎn)和制作醫(yī)藥產(chǎn)品和工業(yè)酶。如今，全球的糖尿病患者都使用酵母生產(chǎn)的胰島素，世界上絕大部分乙肝疫苗也是通過酵母分泌的。

另一位諾貝爾獎得主羅斯曼發(fā)現(xiàn)了囊泡與細(xì)胞膜結(jié)合的秘密，那是一種蛋白質(zhì)復(fù)合物在起作用，它能令囊泡基座與其目標(biāo)細(xì)胞膜融合。在20世紀(jì)70年代，當(dāng)羅斯曼開始研究細(xì)胞運輸體系時，沒人能確切地明白細(xì)胞如何創(chuàng)造并維持如此復(fù)雜的信息運輸系統(tǒng)。他決定創(chuàng)造一個無細(xì)胞系統(tǒng)，把這個運輸體系中的各個環(huán)節(jié)在實驗室中重現(xiàn)?？墒钱?dāng)時很多科學(xué)家覺得根本不可能在細(xì)胞外將這些環(huán)節(jié)獨立出來。

但是他做到了，而且有了許多驚人的發(fā)現(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)一種蛋白復(fù)合物能使囊泡與目標(biāo)膜進(jìn)行對接、融合。在融合過程中，囊泡和目標(biāo)膜上的蛋白以拉鏈的方式相結(jié)合?！罢材匪辜扔袊L試的勇氣，也有成功的技能，”耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院院長羅伯特·阿爾伯恩表示，“當(dāng)他開始研究生涯時，許多成功的生物化學(xué)家都意識到在無細(xì)胞系統(tǒng)中研究分子過程很重要，但沒人想到在無細(xì)胞系統(tǒng)中還可以研究囊泡運輸，這種方法徹底改革了這一領(lǐng)域。”

兩位美國科學(xué)家的研究給囊泡和細(xì)胞膜的融合提供了基本的機(jī)制，但囊泡融合如何精確被控制，這個問題依然令人困惑不解。共同分享此次諾獎的祖德霍夫則給出了答案，也就是說，祖德霍夫發(fā)現(xiàn)了囊泡“投遞”物質(zhì)的秘密。20世紀(jì)90年代，祖德霍夫開始對大腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞是如何在相互之間進(jìn)行溝通感興趣。這種傳遞信息的物質(zhì)被稱為神經(jīng)遞質(zhì)，這種特殊分子正是由囊泡負(fù)責(zé)運輸至神經(jīng)細(xì)胞的細(xì)胞膜上，并能在準(zhǔn)確的時機(jī)獲得釋放?？茖W(xué)家們此前便已經(jīng)知道鈣離子參與了這一過程，后來祖德霍夫在神經(jīng)細(xì)胞中找到對鈣離子敏感的蛋白質(zhì)。他還揭示了這種蛋白質(zhì)的作用原理：它會對注入的鈣離子做出反應(yīng)，并控制鄰近的蛋白質(zhì)迅速讓囊泡與神經(jīng)細(xì)胞的外部細(xì)胞膜相結(jié)合，然后迅速釋放信號物質(zhì)。

研究囊泡的意義

諾貝爾評獎委員會在聲明中寫道，三位獲獎?wù)叩倪@些發(fā)現(xiàn)，讓我們可以了解細(xì)胞生成的物質(zhì)如何及時且精確地在細(xì)胞內(nèi)傳遞。從酵母到人，不同的生物體利用相同的機(jī)制進(jìn)行囊泡運輸和融合。就像現(xiàn)實中的快遞員會出錯一樣，囊泡也會因為種種原因出錯，有的“罷工”不運輸物質(zhì)，有的運輸能力減弱，有的會運錯物質(zhì)。這些紊亂的囊泡會讓人們生病。

囊泡秘密的破譯幫助研究人員更好地了解了多種疾病，包括帕金森病、腦神經(jīng)功能障礙和免疫系統(tǒng)紊亂。諾貝爾獎評選委員會秘書長戈蘭·漢松希望，囊泡運輸調(diào)控機(jī)制的研究能繼續(xù)推動藥物研發(fā)，治療人體代謝缺陷等疾病。三位科學(xué)家的研究可讓人們準(zhǔn)確清楚地認(rèn)識相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)理，并為尋找治療靶點提供了理論支持，從而使人類能夠更好地戰(zhàn)勝疾病成為可能。

舉例來說，這些研究成果將有助于解釋帕金森定向修復(fù)再生診療體系對帕金森病的科學(xué)治療。腦神經(jīng)信號因子及腦神經(jīng)遞質(zhì)分布一直是腦科研究的核心，細(xì)胞的囊泡運輸調(diào)控機(jī)制更好地解釋了腦內(nèi)病變的源頭——腦神經(jīng)元細(xì)胞囊泡基因突變。重建系統(tǒng)，修復(fù)再生，最終達(dá)到腦內(nèi)環(huán)境微平衡是帕金森病治療的關(guān)鍵。

在生物工程方面，研究囊泡最重要的應(yīng)用之一是模擬生物膜。生物膜的主體是由磷脂和蛋白質(zhì)定向排列組成的封閉雙分子層囊泡結(jié)構(gòu)。生物膜在生物活體中起著很重要的作用，具有離子遷移、免疫識別等功能。通過對囊泡的研究，可加深人們對生物膜的認(rèn)識，也為人們的仿生研究提供了一條新的途徑。

囊泡還有一個重要應(yīng)用是可以作為藥物的載體。與其它微結(jié)構(gòu)相比，囊泡具有奇特的結(jié)構(gòu)，即存在親水微區(qū)和疏水微區(qū)，這使得囊泡具有同時運載水溶藥物和水不溶藥物的能力。同時，囊泡具有雙層膜結(jié)構(gòu)，與生物膜有很好的兼容性，是理想的體內(nèi)藥物的載體。由于分子進(jìn)出囊泡需要較長的時間，利用這一特性，近年來，人們還研究如何用囊泡作為緩釋劑，以更好地發(fā)揮藥效。

這些年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人們也將囊泡用作模板來制備納米材料。囊泡也可以為一些化學(xué)反應(yīng)及生物化學(xué)反應(yīng)提供適宜的微環(huán)境。另外，囊泡在化妝品以及食品工業(yè)也有一定的應(yīng)用。

>>生物膜結(jié)構(gòu)

相關(guān)鏈接：

2013年生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲獎?wù)吆喗?/p>

詹姆斯·羅斯曼，美國生物學(xué)家，1950年出生于美國馬薩諸塞州。1976年獲得哈佛醫(yī)學(xué)院博士學(xué)位。1978年，他在加州斯坦福大學(xué)開始從事細(xì)胞囊泡的研究。之后在普林斯頓大學(xué)、紀(jì)念斯隆-凱特琳癌癥研究所和哥倫比亞大學(xué)工作過。從2008年開始，他在耶魯大學(xué)生物學(xué)系擔(dān)任教授一職。

蘭迪·謝克曼，美國生物學(xué)家，1948年出生于美國明尼蘇達(dá)州圣保羅。1974年在斯坦福大學(xué)獲得博士學(xué)位。1976年開始，他任職于加利福尼亞大學(xué)伯克利分校，目前是該大學(xué)分子和細(xì)胞生物學(xué)系教授，并兼任霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員。

托馬斯·祖德霍夫，德國生物化學(xué)家，1955年生于德國哥廷根，以研究突觸傳遞知名。目前任美國斯坦福大學(xué)分子和細(xì)胞生理學(xué)教授。

名詞解釋：

囊泡：也稱為脂質(zhì)體，是指某些兩親性分子，如許多天然合成的表面活性劑及不能簡單締合成膠團(tuán)的磷脂，分散于水中時會自發(fā)形成一類具有封閉雙層結(jié)構(gòu)的分子有序組合體。囊泡在分泌蛋白的外排過程中起重要的運輸載體的作用。

神經(jīng)遞質(zhì)：在化學(xué)突觸傳遞中擔(dān)當(dāng)信使的特定化學(xué)物質(zhì)。簡稱遞質(zhì)。隨著神經(jīng)生物學(xué)的發(fā)展，陸續(xù)在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了大量神經(jīng)活性物質(zhì)。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)的一個精細(xì)的膜系統(tǒng)。是交織分布于細(xì)胞質(zhì)中的膜的管道系統(tǒng)。兩膜間是扁平的腔、囊或池。

高爾基復(fù)合體：也稱高爾基器。是真核細(xì)胞中內(nèi)膜系統(tǒng)的組成之一。它是由光面膜組成的囊泡系統(tǒng)，由扁平膜囊、大囊泡、小囊泡三個基本成分組成。