2013年諾貝爾生理學或醫學獎解讀

2014-02-01 06:03:04宋婀莉

科學中國人 2014年4期

宋婀莉

2013年10月7日，瑞典皇家科學院將本年度的諾貝爾生理學或醫學獎授予了三位美國生物學家：耶魯大學的James E.Rothman，加州大學伯克利分校的Randy W.Schekman，和斯坦福大學的Thomas C.Südhof。他們的獲獎理由是，在“細胞內囊泡運輸的調節機制”領域做出了開創性的杰出貢獻。對于非微觀生物學的人士來說，“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。

1.“囊泡”是什么？

生命體是由細胞組成的，而生物膜構成了細胞之間以及細胞內的各細胞器之間的屏障，從而使一些重要的生命活動能在一個個相對獨立的區間內進行（圖1）。這些獨立區間的出現體現了生物進化的選擇，但同時也產生了細胞內各細胞器之間、細胞與細胞之間的信號、物質和能量交換的需求。細胞內外物質交換主要是通過膜包裹的囊泡轉運系統完成的。細胞內的大分子物質和一部分小分子物質往往包裹在囊泡膜內（如激素、神經肽類物質等）或位于囊泡膜上（如受體蛋白、離子通道蛋白等），借助囊泡的運輸和與細胞膜的融合實現細胞內或跨膜轉運。

囊泡的轉運系統相當于細胞內的物流系統，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遞質傳遞神經信息；致密核心大囊泡儲存內分泌激素，并通過將激素釋放到血液循環中實現體內的激素調控；免疫細胞內的免疫因子、細胞因子等也是存在于大囊泡中，在免疫應答與防衛中起重要作用；細胞膜上的重要功能蛋白如受體、離子通道、轉運體等也是通過囊泡胞吐或胞吞實現上膜或下膜，對于細胞信號轉導的調節具有重要意義；近年來發現，神經元的生長也需要一類囊泡的參與，該囊泡與細胞膜的不斷融合為神經突起的生長提供脂膜的支撐；另外，病毒侵入細胞實際上也是一個膜轉運和膜融合的過程。由此可見，細胞內囊泡轉運和融合是一個受著精細調控的生物學過程，而且也是一個具有重要生理意義的基本生命活動，與一些常見的復雜性疾病密切相關，如：2型糖尿病的發病機制中，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胰島素刺激的葡糖糖轉運體4（GLUT4）囊泡。

2.三位諾貝獎獲得者在此領域中的開創性貢獻

2013年獲得諾貝爾醫學或生理學獎的三位科學家在細胞內的囊泡運輸領域都做出了開創性的杰出貢獻，他們利用不同的技術手段（體內遺傳學篩選或體外重組等），在不同細胞體系中（酵母細胞或哺乳動物細胞等）發現了囊泡轉運過程中的關鍵調控蛋白，并揭示了囊泡轉運是如何被精細調控的分子機制。

James E.Rothman最重要的貢獻在于他發現了在囊泡錨定和融合過程中起決定性作用的蛋白質復合物——SNARE蛋白復合體，即囊泡與細胞膜的融合過程需要細胞膜上的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構單元。

Randy W.Schekman以酵母為模式生物，通過遺傳學篩選發現了一系列參與細胞內囊泡轉運的調控基因，即Sec家族基因。這些調控基因可以被分為三大類，分別調控細胞內囊泡轉運過程的不同步驟，包括囊泡在高爾基體上的轉運，囊泡在內質網和高爾基體之間的轉運，以及囊泡到細胞膜上的轉運。

Thomas C.Südhof發現了觸發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調節神經元中神經遞質的釋放。此外，他還發現了一系列與SNARE蛋白相互作用的分子，包括MUNC18、MUNC13蛋白等，這些蛋白與SNARE復合體相互作用形成一個更大的分子機器，協助SNARE復合體的形成和功能的發揮，但其具體的作用機制仍然不是十分清楚，仍是該領域亟待解決的重要科學問題之一。

3.囊泡轉運獲得諾貝爾獎的科學意義

在歷史上，“囊泡轉運”及其相關研究已獲得了四次諾貝爾生理學或醫學獎，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三人由于發現了神經末梢中的液體性傳遞物質及其貯存、釋放和抑制機理獲得生理學或醫學獎。1974年，Albert Claude，Christian de Duve and George E.Palade三人因為揭示了細胞的內膜結構和功能組織獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。1999年，Günter Blobel被授予諾貝爾生理學或醫學獎以表彰他發現了蛋白質存在內在信號來控制其在細胞內的傳遞和定位。2013年的生理學或醫學獎則是授予了發現細胞內的物流系統“囊泡轉運”的三位科學家James E.Rothman，Randy W.Schekman和Thomas C.Südhof。四次獲得諾貝爾獎，可見囊泡運輸領域在基礎醫學領域中的重要性。

在漫長的生命進化中，生命體從簡單的原核生物進化到擁有復雜內膜系統的真核生物，用了21.6億年時間，可見內膜系統及其之間的轉換和交流對于真核生物生命的維持和調控起著至關重要的作用。長期以來科學家對于細胞內的各個細胞器如何既能維持其各自獨立性,又能有條不紊地進行相互交流以保證細胞內復雜功能的實現進行著不斷的研究和發現。四次諾貝爾獎的獲得一次又一次地推動著此領域的不斷發展，但是其中還有很多迄今為止人類仍未揭示的現象和機制。

4.囊泡轉運領域的研究展望

2005年《Science》雜志總結了未來25年需要回答的125個重要科學問題，其中的一個問題是“維持細胞內運輸暢通的機制是什么”（“What keeps intracellular traffic running smoothly?”）。對該問題的進一步解釋是：“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，一層是細胞內物質運輸主要是通過生物膜來完成的，而生物膜產生形變、形成運輸囊泡、在擁擠的胞內環境和各個細胞器之間穿梭而又不會迷路都依賴于多個蛋白質機器的保障，然而目前還有很多這類的蛋白質機器仍是未知的,這些蛋白質機器如何工作需要人們去揭示；另一層意思是膜轉運與多種疾病相關，揭秘這些蛋白質機器的構成和分子機制對人類征服疾病具有重要意義。2013年諾貝爾生理學或醫學獎頒發給囊泡運輸領域并不意味著人們對細胞內復雜的物質運輸系統已經非常了解，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胞內的運輸機制探索的熱潮。前期的研究已經搭建了囊泡轉運研究的初期框架，隨著新的成像技術和遺傳操作技術的發展，囊泡轉運過程中很多尚未被揭示的問題將會被進一步闡明，必將對相關疾病的研究和治療提供新的理論依據和治療方向。

5.國內在該領域取得的杰出成果

近年來，我國在囊泡轉運以及相關領域已經形成了良好的工作積累和團隊力量，并取得了一系列突出的研究成果。清華大學隋森芳課題組運用電鏡結構解析技術，解析了SNARE與NSF蛋白的復合體結構，為闡明SNARE復合體解聚的分子機制提供了曙光，論文發表在Nature Structural and Molecular Biology上。華中科技大學馬聰組在SNARE復合體的組裝上提出了新的機制，論文發表在Science等雜志。清華大學俞立組闡述了自噬溶酶體再生現象，并對其管狀結構的發生機制進行了深入研究，研究成果發表在Nature, Nature Cell Biology,PNAS等雜志。中國科學院生物物理研究所張宏研究組在細胞自體吞噬作用的機理和調控機制方面做出了開創性貢獻，發現了多個參與自噬作用的特異基因，豐富了人們對多細胞生物體中自噬作用機理的認識，相關成果發表在Cell，Autophagy等雜志。中國科學院動物研究所陳佺組在線粒體融合和分裂機制及其在細胞凋亡中的功能方面取得了重要進展，論文發表在Nature Cell Biology等雜志。中國科學院遺傳與發育研究所劉佳佳組在胞內體管狀結構的貨物分選與卸載機制方面進行了深入研究，論文發表在Nature Cell Biology等雜志。浙江大學段樹民課題組在膠質細胞溶酶體分泌和遷移中的塑形等方面的研究成果發表在Nature Cell Biology等雜志。中國科學院上海神經所羅振革組對囊泡在軸突形成中膜塑形的作用和機制進行了深入研究，相關論文發表在Developmental Cell等雜志。

通過近年的努力，我國在囊泡運輸以及相關領域已經取得了長足的發展，建立了相關研究的特色平臺，如電鏡分析、電生理、分泌囊泡動力學、活細胞成像技術、超高分辨顯微成像技術、光電一體化融合技術等跨學科的形態與功能分析平臺，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。隨著囊泡運輸在2013年獲得諾貝爾獎，囊泡轉運乃至細胞內物質運輸相關領域的研究再次引起了大家的高度關注，并將掀起新的研究熱潮，我國的一大批優秀的科學家有望在該領域中取得更大的開創性研究成果。