探索細胞“物流系統”的生理學家

2013年10月8日，2013年諾貝爾生理學或醫學獎揭曉。該獎項授予了美國科學家詹姆斯·羅斯曼（James E. Rothman）、蘭迪·謝克曼（Randy W. Schekman）和德裔美國科學家托馬斯·蘇德霍夫（Thomas C. Sodhof），以表彰他們在探索細胞中的主要轉運系統——囊泡運輸的調節機制方面的貢獻。精密而有條不紊的“物流系統”是人類健康的基礎，深入理解這些生物學機制，對于攻克糖尿病、阿爾茲海默病等代謝系統疾病具有重要意義。

距今大約350年前，英國博物學家胡克利用顯微鏡驚奇地觀察到了植物的細胞壁，這是科學家首次提出“細胞”的概念。此后，這一領域吸引了一代又一代的科學家不斷地探索，并由此揭開了許多細胞奧秘的面紗，對細胞“物流系統”的解析便是其中重要的一例。

作為生物體結構和功能的基本單位，單個細胞的個頭很小，在顯微鏡下才能觀察到，但其結構復雜，包羅萬象，是一個微型的大千世界。細胞內部不但有細胞核、細胞質、內質網、高爾基體等功能不同的細胞器，更重要的是，細胞是動態的，它在不斷的運動之中。細胞中制造的大量蛋白質、激素、神經遞質等“貨物”需要在各種細胞器之間運轉，有的甚至要運送到細胞外去。例如，胰腺分泌的胰島素產生后，就需要運送到細胞外，釋放到血液中發揮降低血糖的作用。細胞內部就是如此的復雜而精確，只有當合適的蛋白質在正確的時間出現在正確的位置上，人體細胞的正常功能才能得以實現，人的身體也才能健康。

細胞如何組織它的“物流運輸系統”，是個復雜的生物學基本問題。所謂囊泡運輸就是指由于大分子物質及顆粒性物質不能直接穿過細胞膜，于是囊泡以出芽的方式，從一種細胞器中產生、斷離后又與另一種細胞器膜融合的過程。這樣一來，囊泡好比裝載貨物的“集裝箱”。所以囊泡運輸也被稱為細胞的“物流系統”。多年來科學家也在孜孜不倦地探索其中的奧秘，2013年諾貝爾生理學或醫學獎即授予“發現細胞內的主要運輸系統——囊泡運輸的調節機制”的三位科學家：來自耶魯大學的詹姆斯·羅斯曼，加州大學伯克利分校的蘭迪·謝克曼，以及斯坦福大學的托馬斯·蘇德霍夫。

這三位科學家的研究成果即是對囊泡運輸如何在正確的時間抵達正確位置的機制的解答。簡單來說，他們的主要貢獻分別是：謝克曼發現了囊泡運輸所需要的一系列基因；羅斯曼闡明了在囊泡與靶膜融合過程中發揮作用的蛋白質復合物；蘇德霍夫則揭示了大腦中的信號如何從一個神經細胞傳遞到另一個細胞，并且鈣信號是如何引導囊泡精確釋放被運輸物的。本文就分別介紹一下三位獲獎者的科研經歷及其主要成就。

謝克曼——“物流系統”的提出者

謝克曼1948年出生于美國，現年66歲，是三位獲獎者中年齡最大的一位。他是畢業于名校的高才生。1974年謝克曼博士畢業于斯坦福大學，導師是著名的生物化學家科恩伯格（1959年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者）。1976年，謝克曼加入加州大學伯克利分校，目前為該校分子與細胞生物學系主任。他同時也是霍華德·休斯醫學研究院的研究員。謝克曼于1992年當選美國科學院院士。2006—2011年，謝克曼擔任著名學術期刊《美國國家科學院院刊》的主編。

謝克曼從小就表現出對科學的極大熱情。高中時，他就不斷地準備科學項目，參加學校以及加州的各種科學競賽。謝克曼著迷于在水里生活的各種微生物，因此當他得到了一個玩具顯微鏡時，便在自己的房間里，將所有的時間都用于追逐水里的各種能游泳的原始動物。他的父親指出這只不過是一個“玩具”顯微鏡，謝克曼對他第一臺科學儀器的熱情受到了打擊，父親的“詆毀”令他沮喪，因此當時他下定決心要買一個專業的顯微鏡。他通過割草和做家務來掙錢、存錢，但由于他父母總是不斷地從他這里“借錢”，導致他一直存不夠買顯微鏡的錢。有一天，他實在是受夠了，便騎著直行車來到警察局，告訴警察說，因為他的父母老是阻止他得到一臺好的顯微鏡，他從家里跑出來了。從警察局將離家出走的兒子接回來之后，謝克曼的父親一臉嚴肅。但是就在那個下午，謝克曼得到了一臺博士倫顯微鏡，這使得他能以更專業的方式研究那些會游泳的微生物。

謝克曼對會游泳的微生物的“偏愛”也體現在他的科研工作中。在確立了研究細胞膜轉運系統的研究方向后，考慮到哺乳動物的細胞過于復雜，謝克曼于是以非凡的勇氣和智慧選擇酵母作為實驗材料。當時大多數科學家都認為酵母太低等，與動物細胞差別太大，不適合用來研究分泌機制，他的研究資助申請最初也因此被駁回。然而，由于他不懈的堅持，終于在這一領域獲得了重大發現。因此，從這個意義上，可以說謝克曼是一位善于獨辟蹊徑，并最終闖出一片新天地的學者典范。

通過對這些突變體的遺傳學和形態學上的研究，謝克曼發現是囊泡介導了內質網和高爾基體之間的交通運輸。囊泡運輸系統也就是細胞的“物流系統”。謝克曼研究組以酵母為實驗材料，首先篩選了影響蛋白質分泌的酵母突變體。如果分泌蛋白的基因發生突變，酵母細胞內的分子運輸就會發生障礙，而且不同類型的基因缺陷會導致蛋白運輸被阻礙在分泌途徑的不同階段上。謝克曼對酵母突變體進行大規模篩選，最終獲得一系列參與蛋白質分泌的基因，根據它們交通阻斷出現的位置是在內質網、高爾基體還是細胞表面，可將其分為三大類。

利用無細胞體系，謝克曼純化出來的第一個蛋白質是sec23基因的產物，該基因是內質網和高爾基體間物質運輸所必需的。這個蛋白并不能獨立發揮作用，囊泡從內質網中出芽還需其他六種蛋白質（Sec23， Sec24， Sec12， Sec13， Sec31和Sar1）。謝克曼將這幾個蛋白質的復合物命名為COPII復合體。囊泡的外表面由蛋白包被，根據包被蛋白的不同，囊泡可以分為網格蛋白包被囊泡、COPI包被小泡以及COPII包被小泡等類型。其中，COPII包被小泡介導了物質由內質網向高爾基體的順向運輸，COPI包被小泡介導物質由高爾基體向內質網的反向運輸。

發現COPII復合物之后，謝克曼又用了十幾年對此進行深入研究。進一步研究表明，COPII不僅能幫助囊泡從內質網上出芽，而且能夠招集正確的蛋白質貨物。謝克曼系統地揭示了在囊泡運輸所參與的分泌途徑和囊泡與靶膜融合過程中所發生的事件。在此基礎上，謝克曼提出了運輸系統的概念，從而開創了囊泡運輸分子機制研究的新領域。在謝克曼研究的基礎上，科學家陸續發現了運輸“集裝箱”的各種“交通工具”。

羅斯曼——囊泡識別目的地機制的揭秘者

羅斯曼1950年出生于美國，在耶魯大學獲得碩士學位，1976年從哈佛醫學院獲得博士學位。1978年他進入斯坦福大學，開始了對細胞“物流系統”的研究探索。2008年，羅斯曼加入耶魯大學，目前為該校細胞生物學系系主任。

羅斯曼探索了囊泡運輸和靶膜融合的機制，并且通過生化研究提出了重要的SNARE模型，解釋了囊泡融合是如何實現專一性識別，即“物流”運輸過程中，“交通工具”是如果準確抵達并識別“目的地”的。

羅斯曼用生物化學的方法鑒定出了N-乙酰馬來酰胺敏感因子（NSF）和可溶性NSF附著蛋白（SNAP），這兩種蛋白相當于哺乳動物囊泡運輸所用的“交通工具”。

有了“集裝箱”，也有了“交通工具”，剩下的問題，就是將貨物準確地送到目的地了。細胞物流的精髓便在于精確地轉運和投放貨物。要實現這一點，膜融合的過程就不能出現半點差錯。囊泡與靶位點膜結構的融合過程包括兩個事件：首先，囊泡必須特異性地識別目標膜；其次，囊泡必須與目標膜發生融合，從而釋放內容物。

羅斯曼從牛腦組織中分離了SNAP的受體蛋白，即SNARE。SNARE是一種主要由α-螺旋形成的單跨膜蛋白，這種蛋白在囊泡和靶膜上均存在，囊泡和靶膜上的SNARE分別被稱為v-SNARE和t-SNARE。羅斯曼發現，非常有趣的是，兩種不同種類的SNARE存在著非常明確的數量關系。在此基礎上，羅斯曼提出了囊泡融合的SNARE假說：囊泡和靶膜上的SNARE通過順次發生的突觸對接、激活和融合步驟，實現囊泡和靶膜的融合。該假說最本質的內容在于v-SNARE和t-SNARE蛋白之間的相互作用，只有當v-SNARE和t-SNARE兩者特異性識別，才可形成拉鏈狀的SNARE復合物，從而促進靠近的囊泡和靶膜實現融合。

羅斯曼的成就在于發現了細胞囊泡是如何在正確的地點進行釋放的，正如現實生活中的物流，貨物到了一個正確的目的地需要卸貨一樣。羅斯曼在獲獎后表示，這個成就并非一夜的時間就可以獲得，他在這方面的研究已經花費了數十年的心血。

現年60多歲的羅斯曼身材高大，是一位具有親和力的“大塊頭”。 中國科學院遺傳與發育生物學研究所的一位研究員就曾介紹了這么一件趣事，他說：“2009年，我們曾邀請他來中國參加研討會，因為他的‘大塊頭’，專門在預算之外為他買了一張頭等艙的機票。”

謝克曼與羅斯曼：花開兩朵，殊途同歸

早在2002年，謝克曼和羅斯曼就因為在囊泡運輸機制方面的研究而共同獲拉斯克醫學獎，該獎項為美國最具聲望的生物醫學獎項，被譽為諾貝爾獎的“風向標”。如今兩人又共同獲得諾貝爾獎，實在是頗有淵源。

細看兩人的研究經歷，可以發現有些差異是如此的鮮明。兩人所用實驗材料和研究方法不盡相同。謝克曼研究單細胞的酵母，羅斯曼用的實驗材料是動物細胞；謝克曼通過篩選突變基因，即用遺傳學的研究方法來研究問題；羅斯曼則是通過體外分離蛋白質組分，即用經典生物化學的實驗方法研究問題。

謝克曼與羅斯曼的相同之處在于：首先，兩人都與斯坦福大學結緣，謝克曼1974年于斯坦福大學獲得博士學位，幾年后，羅斯曼加入了這所學校并確立了細胞囊泡的研究方向。其次，兩人都受大名鼎鼎的生化學家科恩伯格影響深遠。科恩伯格是謝克曼在斯坦福大學讀書時的恩師，幾年之后他又成了羅斯曼工作時的系主任，并且給了羅斯曼重要的指導。再者，兩人均揭示了囊泡運輸機制的秘密，并同時獲得科學界的最高榮譽，不得不讓人感慨兩人在事業上的異曲同工，在人生上的殊途同歸。

蘇德霍夫——囊泡融合時機奧秘的發現者

蘇德霍夫是一位德裔美籍科學家，1955年出生于德國，曾就學于世界著名學府哥廷根大學。1982年他從該校獲得醫學博士學位，并于同年獲得該校神經化學博士學位。1983年，蘇德霍夫加入美國德州大學西南醫學中心，在布朗和戈爾茨坦的指導下進行博士后研究，針對低密度脂蛋白受體在膽固醇代謝里的作用進行了研究。1985年，他的兩位導師由于發現膽固醇代謝調節機理，獲得諾貝爾生理學或醫學獎。1986年，蘇德霍夫在結束了博士后研究后，曾一度猶豫是繼續做研究還是從事臨床工作做醫生。兩位導師建議他繼續從事研究工作，他聽從了導師的建議并在西南醫學中心有了自己的實驗室。蘇德霍夫于1991年成為霍華德·休斯醫學研究院研究人員，2008年成為斯坦福大學分子與細胞生理學教授。2013年，蘇德霍夫因在神經遞質快速釋放調控機制方面的發現而獲拉斯克獎，因此也成為諾獎的熱門候選人。果然，作為諾獎風向標的拉斯克獎再次言中，蘇德霍夫獲2013年諾貝爾獎。

蘇德霍夫一直致力于對神經突觸的研究。囊泡運輸是所有細胞都具有的物質運輸方式，但是神經細胞在囊泡運輸研究中最具代表性，這主要是因為神經細胞內存在著一種特殊類型的囊泡——突觸囊泡，它參與了神經遞質的釋放。鈣離子能調控突觸囊泡與細胞膜的快速的瞬時融合，其機制令蘇德霍夫著迷。經過近30年的研究，蘇德霍夫所取得的研究成果，使人們理解了信息如何在突觸之間快速啟動和精確控制。

蘇德霍夫發現了在鈣介導的囊泡融合中發揮關鍵作用的兩個蛋白——complexin和鈣結合蛋白，并解釋了神經元中鈣是如何調控神經遞質釋放的。鈣結合蛋白，是一類進化上比較保守的單跨膜囊泡蛋白，擁有兩個鈣離子結合域，是鈣離子感受器，細胞內游離鈣離子可以與鈣結合蛋白結合。在Complexin和鈣結合蛋白的共同作用下，SNARE復合物得以形成，而且囊泡融合可以按照要求或快或慢地發生，神經遞質得以釋放。

在蘇德霍夫獲諾貝爾獎之后，其華裔科學家的妻子陳路同樣受到了關注。陳路于1989年從無錫市輔仁中學考入中國科技大學生物系，2003年受聘于加州大學伯克利，現已是神經外科和行為科學的副教授。陳路同樣在生命科學領域取得了杰出成就，2005年，她榮獲“麥克阿瑟天才獎”，這也是極為難得的獎項。她和蘇德霍夫育有兩個孩子。

也許正是因為妻子是華裔，蘇德霍夫曾多次來中國，對中國很有感情。蘇德霍夫是2010年中國科學院愛因斯坦講習教授獲得者，曾于2011年參加中國科學院健康科學研究所第七屆國際精英論壇等。他也為中國的囊泡轉運機制研究培養了很多人才，北京大學的張晨、同濟大學的徐俊、中國科學院生物物理所曹鵬等都曾是他的博士后。

“為了跳出框框思考，你必須首先有一個框框。”蘇德霍夫如是說。他談到科學訓練的重要性，同時也強調必須以創造性的方式來利用知識。蘇德霍夫是一位勤勉的人，像一個工作狂，工作到三更半夜是家常便飯。他也秉承德國人一貫的嚴謹認真，是一位勤懇執著探索的真正的科學家。

“物流系統”與人類健康

細胞生命活動依賴于細胞內的“物流運輸系統”。沒有囊泡運輸的精確組織，細胞將陷入混亂狀態。囊泡運輸障礙可導致發育缺陷、免疫缺陷、阿爾茲海默病、自閉癥、糖尿病、高脂血癥等多種疾病的發生。例如，在對阿爾茲海默病發病機理的研究過程中，越來越多的證據證實，這種神經退行性疾病的發生與細胞囊泡運輸系統相關。這些患者的神經細胞內的囊泡運輸系統崩解，造成神經細胞間的通信障礙，并最終導致神經細胞的死亡，顯現為患者的神經系統退行。

謝克曼、羅斯曼和蘇德霍夫三位科學家的研究，從不同的角度為我們揭示了細胞內部復雜而又被精確調控的“物流運輸系統”。這為我們了解細胞生物學的奧秘打開了又一扇窗戶。他們的研究使我們了解了“物流運輸系統”的奧秘，為準確清楚地認識相關疾病的發病機理提供了理論支持，有助于尋找相對應的藥物，從而使人類能更好地戰勝相關疾病。在他們研究成果的基礎上，其他許多科學家進一步探索，使得我們對這一“物流系統”的了解更為深入。例如，最新研究表明，載有“貨物”的囊泡也是有軌道的，囊泡在微管或微絲細胞骨架軌道上移動，可以高效精確地將各種貨物定向運輸。當然，三位諾獎獲得者的研究工作也依然在繼續，在細胞“物流系統”方面，尚有很多奧秘等待著他們去探索和揭示。

鈣對囊泡融合時機的調控

Complexin，又名synaphin，是一種細胞質蛋白，可激活前SNARE復合物形成。而鈣離子與突觸結合蛋白結合后可代替complexin，從而啟動突觸囊泡和細胞膜融合，導致神經遞質釋放。

除了突觸結合蛋白之外，聚德霍夫還發現了一系列SNARE蛋白成員（如SNAP-25），以及包括RIM蛋白和Munc蛋白在內的、協助囊泡釋放神經遞質的蛋白質。這些發現支持并豐富了羅斯曼的SNARE假說，使得囊泡轉運的分子機制越發明朗起來。