解密細胞內的“穿梭巴士”

公共交通工具在不同的目的地間往來，司機通常會在規定的時間送達乘客。在細胞內部也存在著這樣一類交通工具——囊泡，它們更加智能和精準，能夠將胰島素等分子在正確的時間運送到正確的地方。這樣精巧的運輸系統支撐著細胞正常的新陳代謝，確保了生命的延續。

北京時間10月7日晚，瑞典卡羅琳醫學院將2013年諾貝爾生理學或醫學獎授予兩位美國科學家與一位德國科學家：詹姆斯·羅斯曼、蘭迪·謝克曼和托馬斯·祖德霍夫。正是他們，共同揭開了細胞內部囊泡運輸調控機制的神秘面紗，展示了一個基本的細胞生理過程的種種細節。這一發現有助于更清晰地認識疾病和生命。

洞悉“囊泡轉運機制”

“這一研究成果能夠獲得2013年諾貝爾生理學或醫學獎，對細胞生物學研究領域的科學家是極大的鼓舞。”中科院上海生科院生物化學與細胞生物學研究所研究員鮑嵐表達了自己和同道的喜悅之情。

據諾貝爾獎委員會官方網站的表述，細胞猶如繁忙而巨大的港口，將正確的貨物在正確的時間運送到正確的地點是最為要緊的，囊泡就是港口的“穿梭巴士”。人們早已了解大量分子（即“乘客”）是“搭乘”囊泡在細胞內外往來，卻一直不了解這輛巴士是如何確定自己的啟程時間及目的地的。

鮑嵐解釋說，囊泡是由單層膜包裹的精細結構，從幾十納米到數百納米不等。囊泡運輸是細胞內部的一種基本和重要的物質運輸方式。目前發現，通過囊泡運輸的物質主要有兩類：一類是囊泡膜上的膜蛋白和脂類等，主要用于細胞活動過程中膜成分的新陳代謝和信號傳遞等；另一類是囊泡的內含物，包括神經遞質、激素、各種酶和細胞因子等，用于細胞內膜性細胞器之間物質的交流和實施特定的功能，或分泌到細胞外調節自身及其他細胞功能。

早在上個世紀的70年代，蘭迪·謝克曼便利用酵母作為模型，開始研究其遺傳學基礎。在基因篩選過程中，謝克曼分離出一類異常轉運機制的酵母細胞。這株酵母的“運輸狀況”與混亂的公共交通系統類似，囊泡都堆積在細胞的某一個角落。隨后，謝克曼發現了導致這一擁堵狀況的罪魁禍首——三類編碼調節囊泡運輸關鍵蛋白的基因。

上世紀80年代到90年代，詹姆斯·羅斯曼在哺乳動物細胞研究中發現了囊泡與“乘客”精確對接的奧秘——囊泡的膜及目的細胞器的膜上均有高度特異性的蛋白復合物，兩者能夠像拉鏈一樣緊密嵌合，從而使囊泡融合到細胞膜之中，由此解決了囊泡“釋放”的問題，確保了“乘客”準確、及時到達。更為重要的是，回顧蘭迪·謝克曼發現的控制囊泡運輸的關鍵基因，其中含有編碼詹姆斯·羅斯曼教授所發現的蛋白質復合物的基因，說明囊泡運輸在進化上的保守性。從低等生物（酵母）到高等生物（哺乳動物）均存在囊泡運輸，說明它是生命活動的基本途徑。

如果說羅斯曼與謝克曼的發現可以解釋囊泡作為一輛“穿梭巴士”是如何準確接送“乘客”的，那么祖德霍夫的研究成果則闡明細胞運輸系統在時間上的精確性，并指出“乘客”須有指令方能下車的信號問題。上世紀90年代，祖德霍夫聚焦于神經細胞中的鈣離子敏感蛋白，描摹出鈣離子流動的分子機制，并發現了突觸囊泡感受外界信號的關鍵因子和關鍵蛋白——鈣離子和鈣結合蛋白，通過它們，突觸小泡接受到信號，并快速準確地釋放，完成神經信號的傳遞。

“奇妙小世界”充滿挑戰

《福布斯》雜志上有這樣的評論：“當今社會是分子生物學的全盛時期，人們都在討論基因如何形成特定蛋白質，基因如何排序等。與分子生物學相比，看起來毫無魅力的細胞生物學是十分繁復困難的學科，而發現細胞運輸系統背后的分子機制，揭示了細胞貨物如何在正確的時間被運送到正確的細胞靶點，在推動細胞生物學發展上有無可比擬的作用。”

作為細胞生物學研究者，鮑嵐說：“分子生物學和細胞生物學需要相互補充，基因編碼固然神奇，但它所形成的蛋白質要在細胞內裝配成各種小的功能單元，包括囊泡，最終實現功能。”

在鮑嵐看來，細胞生物學所追求的最高境界就是，可以在活的細胞內實時看到內部是如何活動的，如何應對外部環境的變化。而要達到這樣的目標，難度很大，也充滿了挑戰。

（摘自《健康報》）