2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎解讀

2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎解讀作者：宋婀莉來源：《科學(xué)中國人》2014年第4期宋婀莉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)獎授予了三位美國生物學(xué)家：耶魯大學(xué)的JamesE.Rothman，加州大學(xué)伯克利分校的RandyW.Schekman，和斯坦福大學(xué)的ThomasC.Sudhof。他們的獲獎理由是，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)。對于非微觀生物學(xué)的人士來說，“囊泡”是一個未知的、抽象的概念，但是其實“囊泡”和我們每個人的飲食、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的工作，以及探討對我們的啟示。“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能在一個個相對獨(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、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)胞膜的融合實現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)或跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。aS1x*4一也—心色at＜晚??:色5晝未as亍廿金林*■號），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；致密核心大囊泡儲存內(nèi)分泌激素，并通過將激素釋放到血液循環(huán)中實現(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現(xiàn)上膜或下膜，對于細(xì)胞信號轉(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)突起的生長提供脂膜的支撐；另外，病毒侵入細(xì)胞實際上也是一個膜轉(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)和融合是一個受著精細(xì)調(diào)控的生物學(xué)過程，而且也是一個具有重要生理意義的基本生命活動，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。三位諾貝獎獲得者在此領(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。JamesE.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)合物一一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。RandyW.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)。I*時吠如it柑，|*土岫f*醐日很軸Hl隊掠刊焉做晰袖蛔娜圳傾5卿?麗4ticThomasC.Sudhof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。囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)獲得諾貝爾獎的科學(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，分別是1970年、1974年、1999年和2013年。早在1970年，SirBernardKatz，UlfvonEulerandJuliusAxelrod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。1974年，AlbertClaude，ChristiandeDuveandGeorgeE.Palade三人因為揭示了細(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。1999年，GUnterBlobel被授予諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎以表彰他發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)存在內(nèi)在信號來控制其在細(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JamesE.Rothman，RandyW.Schekman和ThomasC.Sudhof。四次獲得諾貝爾獎，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。在漫長的生命進(jìn)化中，生命體從簡單的原核生物進(jìn)化到擁有復(fù)雜內(nèi)膜系統(tǒng)的真核生物，用了21.6億年時間，可見內(nèi)膜系統(tǒng)及其之間的轉(zhuǎn)換和交流對于真核生物生命的維持和調(diào)控起著至關(guān)重要的作用。長期以來科學(xué)家對于細(xì)胞內(nèi)的各個細(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)雜功能的實現(xiàn)進(jìn)行著不斷的研究和發(fā)現(xiàn)。四次諾貝爾獎的獲得一次又一次地推動著此領(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。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個重要科學(xué)問題，其中的一個問題是“維持細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸暢通的機(jī)制是什么”(“Whatkeepsintracellulartrafficrunningsmoothly?”)。對該問題的進(jìn)一步解釋是：“Membranesinsidecellstransportkeynutrientsaround,andthroughvariouscellcompartmentswithoutstickingtoeachotherorlosingtheirway.Insightsintohowmembranesstayontrackcouldhelpconquerdiseases”。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)境和各個細(xì)胞器之間穿梭而又不會迷路都依賴于多個蛋白質(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?；另一層意思是膜轉(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)獎頒發(fā)給囊泡運(yùn)輸領(lǐng)域并不意味著人們對細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的物質(zhì)運(yùn)輸系統(tǒng)已經(jīng)非常了解，相反正是對這一研究方向重要性的肯定，同時也將開啟新一輪對細(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被進(jìn)一步闡明，必將對相關(guān)疾病的研究和治療提供新的理論依據(jù)和治療方向。國內(nèi)在該領(lǐng)域取得的杰出成果近年來，我國在囊泡轉(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NatureStructuralandMolecularBiology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,NatureCellBiology,PNAS等雜志。中國科學(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)了多個參與自噬作用的特異基因，豐富了人們對多細(xì)胞生物體中自噬作用機(jī)理的認(rèn)識，相關(guān)成果發(fā)表在Cell，Autophagy等雜志。中國科學(xué)院動物研究所陳儉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NatureCellBiology等雜志。中國科學(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NatureCellBiology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NatureCellBiology等雜志。中國科學(xué)院上海神經(jīng)所羅振革組對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DevelopmentalCell等雜志。通過近年的努力，我國在囊泡運(yùn)輸以及相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，建立了相關(guān)研究的特色平臺，如電鏡分析、電生理、分泌囊泡動力學(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，并建立了多種不同模式動物(如小鼠、斑馬魚、果蠅、線蟲等)表型分析平臺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，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］：NovickP,SchekmanR:Secretionandcell-surfacegrowthareblockedinatemperaturesensitivemutantofSaccharomycescerevisiae.ProcNatlAcadSciUSA1979,76:1858-1862.BalchWE,DunphyWG,BraellWA,RothmanJE:ReconstitutionofthetransportofproteinbetweensuccessivecompartmentsoftheGolgimeasuredbythecoupledincorporationofN-acetylglucosamine.Cell1984,39:405-416.KaiserCA,SchekmanR:DistinctsetsofSECgenesgoverntransportvesicleformationandfusionearlyinthesecretorypathway.Cell1990,61:723-733.PerinMS,FriedVA,MigneryGA,JahnR,SudhofTC:PhospholipidbindingbyasynapticvesicleproteinhomologoustotheregulatoryregionofproteinkinaseC.Nature1990,345:260-263.5.SollnerT,WhiteheartSW,BrunnerM,Erdjument-BromageH,GeromanosS,TempstP,RothmanJE:SNAPreceptorsimplicatedinvesicletargetingandfusion.Nature1993,362:318-324.HataY,SlaughterCA,SudhofTC:Synapticvesiclefusioncomplexcontainsunc-18homologueboundtosyntaxin.Nature1993,366:347-351.XuT,RammnerB,MargittaiM,ArtalejoAR,NeherE,JahnR:InhibitionofSNAREcomplexassemblydifferentiallyaffectskineticcomponentsofexocytosis.Cell1999,99:713-722.XuT,BinzT,NiemannH,NeherE:Multiplekineticcomponentsofexocytosisdistinguishedbyneurotoxinsensitivity.NatNeurosci1998,1:192-200.劉貝，宋婀莉，徐濤，