2013年诺贝尔生理学或医学奖解读 9页

2013年诺贝尔生理学或医学奖解读2013年10月7日，瑞典皇家科学院将本年度的诺贝尔生理学或医学奖授予了三位美国生物学家：耶鲁大学的JamesE.Rothman,加州大学伯克利分校的RandyW.Schekman,和斯坦福大学的ThomasC.Stidhofo他们的获奖理由是，在“细胞内囊泡运输的调节机制”领域做出了开创性的杰出贡献。对于非微观生物学的人士来说，“囊泡”是一个未知的、抽象的概念，但是其实“囊泡”和我们每个人的饮食、健康都是息息相关的。本文将从科普的角度给大家解读本次诺贝尔奖的工作，以及探讨对我们的启示。1.“囊泡”是什么？生命体是由细胞组成的，而生物膜构成了细胞之间以及细胞内的各细胞器之间的屏障，从而使一些重要的生命活动能在一个个相对独立的区间内进行（图1）。这些独立区间的出现体现了生物进化的选择，但同时也产生了细胞内各细胞器之间、细胞与细胞之间的信号、物质和能量交换的需求。细胞内外物质交换主要是通过膜包裹的囊泡转运系统完成的。细胞内的大分子物质和一部分小分子物质往往包裹在囊泡膜内（如激素、神经肽类物质等）或位于囊泡膜上（如受体蛋白、离子通道蛋白等），借助囊泡的运输和与细胞膜的融合实现细胞内或跨膜转运。囊泡的转运系统相当于细胞内的物流系统，具有重要的生理和病理意义，例如：突触小泡在钙离子的刺激下释放神经递质传递神经信息；致密核心大囊泡储存内分泌激素，并 通过将激素释放到血液循环中实现体内的激素调控；免疫细胞内的免疫因子、细胞因子等也是存在于大囊泡中，在免疫应答与防卫中起重要作用；细胞膜上的重要功能蛋白如受体、离子通道、转运体等也是通过囊泡胞吐或胞吞实现上膜或下膜，对于细胞信号转导的调节具有重要意义；近年来发现，神经元的生长也需要一类囊泡的参与，该囊泡与细胞膜的不断融合为神经突起的生长提供脂膜的支撑；另外，病毒侵入细胞实际上也是一个膜转运和膜融合的过程。由此可见，细胞内囊泡转运和融合是一个受着精细调控的生物学过程，而且也是一个具有重要生理意义的基本生命活动，与一些常见的复杂性疾病密切相关，女X2型糖尿病的发病机制中，胰岛素抵抗和胰岛素分泌不足是最主要的原因，其中涉及胰腺beta细胞中分泌胰岛素的致密核心囊泡和胰岛素的靶器官中响应胰岛素刺激的葡糖糖转运体4（GLUT4）囊泡。2.三位诺贝奖获得者在此领域中的开创性贡献2013年获得诺贝尔医学或生理学奖的三位科学家在细胞内的囊泡运输领域都做出了开创性的杰出贡献，他们利用不同的技术手段（体内遗传学筛选或体外重组等），在不同细胞体系中（酵母细胞或哺乳动物细胞等）发现了囊泡转运过程中的关键调控蛋白，并揭示了囊泡转运是如何被精细调控的分子机制。JamesE.Rothman最重要的贡献在于他发现了在囊泡锚定和融合过程中起决定性作用的蛋白质复合物一一SNARE蛋白复合体，即囊泡与细胞膜的融合过程需要细胞膜上的t-SNARE 蛋白与囊泡上的v-SNARE蛋白识别并相互作用，这也揭示了囊泡融合所需要的最小结构单元。RandyW.Schekman以酵母为模式生物，通过遗传学筛选发现了一系列参与细胞内囊泡转运的调控基因，即Sec家族基因。这些调控基因可以被分为三大类，分别调控细胞内囊泡转运过程的不同步骤，包括囊泡在高尔基体上的转运，囊泡在内质网和高尔基体之间的转运，以及囊泡到细胞膜上的转运。ThomasC.SUdhof发现了触发突触囊泡融合的钙敏蛋白synaptotagmin,并揭示了钙离子如何在正确的时间和正确的地点调节神经元中神经递质的释放。此外，他还发现了一系列与SNARE蛋白相互作用的分子，包括MUNC18、MUNC13蛋白等，这些蛋白与SNARE复合体相互作用形成一个更大的分子机器，协助SNARE复合体的形成和功能的发挥，但其具体的作用机制仍然不是十分清楚，仍是该领域亟待解决的重要科学问题之一。3•囊泡转运获得诺贝尔奖的科学意义 在历史上，“囊泡转运”及其相关研究已获得了四次诺贝尔生理学或医学奖，分别是1970年、1974年、1999年和2013年。早在1970年，SirBernardKatz,UlfvonEulerandJuliusAxelrod三人由于发现了神经末梢中的液体性传递物质及其贮存、释放和抑制机理获得生理学或医学奖。1974年，AlbertClaude,ChristiandeDuveandGeorgeE.Palade三人因为揭示了细胞的内膜结构和功能组织获得了诺贝尔生理学或医学奖。1999年，GunterBlobel被授予诺贝尔生理学或医学奖以表彰他发现了蛋白质存在内在信号来控制其在细胞内的传递和定位。2013年的生理学或医学奖则是授予了发现细胞内的物流系统“囊泡转运”的三位科学家JamesE.Rothman,RandyW.Schekman和ThomasC.Sudhofo四次获得诺贝尔奖，可见囊泡运输领域在基础医学领域中的重要性。在漫长的生命进化中，生命体从简单的原核生物进化到拥有复杂内膜系统的真核生物，用了21.6亿年时间，可见内膜系统及其之间的转换和交流对于真核生物生命的维持和调控起着至关重要的作用。长期以来科学家对于细胞内的各个细胞器如何既能维持其各自独立性，又能有条不紊地进行相互交流以保证细胞内复杂功能的实现进行着不断的研究和发现。四次诺贝尔奖的获得一次又一次地推动着此领域的不断发展，但是其中还有很多迄今为止人类仍未揭示的现象和机制。 4•囊泡转运领域的研究展望2005年《Science》杂志总结了未来25年需要回答的125个重要科学问题，其中的一个问题是"‘维持细胞内运输畅通的机制是什么"(aWhatkeepsintracellulartrafficrunningsmoothly?”)。对该问题的进一步解释是：uMembranesinsidecellstransportkeynutrientsaround,andthroughvariouscellcompartmentswithoutstiekingtoeachotherorlosingtheirway.Insightsintohowmembranesstayontrackcouldhelpconquerdiseases"。这段话说明两层意思，一层是细胞内物质运输主要是通过生物膜来完成的，而生物膜产生形变、形成运输囊泡、在拥挤的胞内环境和各个细胞器之间穿梭而又不会迷路都依赖于多个蛋白质机器的保障，然而目前还有很多这类的蛋白质机器仍是未知的，这些蛋白质机器如何工作需要人们去揭示；另一层意思是膜转运与多种疾病相关，揭祕这些蛋白质机器的构成和分子机制对人类征服疾病具有重要意义。2013年诺贝尔生理学或医学奖颁发给囊泡运输领域并不意味着人们对细胞内复杂的物质运输系统已经非常了解，相反正是对这一研究方向重要性的肯定，同时也将开启新一轮对细胞内的运输机制探索的热潮。前期的研究已经搭建了囊泡转运研究的初期框架，随着新的成像技术和遗传操作技术的发展，囊泡转运过程中很多尚未被揭示的问题将会被进一步阐明，必将对相关疾病的研究和治疗提供新的理论依据和治疗方向。5.国内在该领域取得的杰出成果 近年来，我国在囊泡转运以及相关领域已经形成了良好的工作积累和团队力量，并取得了一系列突出的研究成果。清华大学隋森芳课题组运用电镜结构解析技术，解析了SNARE与NSF蛋白的复合体结构，为阐明SNARE复合体解聚的分子机制提供了曙光，论文发表在NatureStructuralandMolecularBiology上。华中科技大学马聪组在SNARE复合体的组装上提出了新的机制，论文发表在Science等杂志。清华大学俞立组阐述了自噬溶酶体再生现象，并对其管状结构的发生机制进行了深入研究，研究成果发表在Nature,NatureCellBiology,PNAS等杂志。中国科学院生物物理研究所张宏研究组在细胞自体吞噬作用的机理和调控机制方面做出了开创性贡献，发现了多个参与自噬作用的特异基因，丰富了人们对多细胞生物体中自噬作用机理的认识，相关成果发表在Cell,Autophagy等杂志。中国科学院动物研究所陈❷组在线粒体融合和分裂机制及其在细胞凋亡中的功能方面取得了重要进展，论文发表在NatureCellBiology等杂志。中国科学院遗传与发育研究所刘佳佳组在胞内体管状结构的货物分选与卸载机制方面进行了深入研究，论文发表在NatureCellBiology等杂志。浙江大学段树民课题组在胶质细胞溶酶体分泌和迁移中的塑形等方面的研究成果发表在NatureCellBiology等杂志。中国科学院上海神经所罗振革组对囊泡在轴突形成中膜塑形的作用和机制进行了深入研究，相关论文发表在DevelopmentalCell等杂志。通过近年的努力，我国在囊泡运输以及相关领域已经取 得了长足的发展，建立了相关研究的特色平台，如电镜分析、电生理、分泌囊泡动力学、活细胞成像技术、超高分辨显微成像技术、光电一体化融合技术等跨学科的形态与功能分析平台，并建立了多种不同模式动物（如小鼠、斑马鱼、果蝇、线虫等）表型分析平台和积累了丰富的突变体资源。随着囊泡运输在2013年获得诺贝尔奖，囊泡转运乃至细胞内物质运输相关领域的研究再次引起了大家的高度关注，并将掀起新的研究热潮，我国的一大批优秀的科学家有望在该领域中取得更大的开创性研究成果。推荐阅读[1-8]:l.NovickP,SchekmanR:Secretionandcell-surfacegrowthareblockedinatemperature-sensitivemutantofSaccharomycescerevisiae.ProcNatlAcadSciUSA1979,76：1858-1862.2.BalchWE,DunphyWG,Brae11WA,RothmanJE：ReconstitutionofthetransportofproteinbetweensuccessivecompartmentsoftheGolgimeasuredbythecoupledincorporationofN-acetylglucosamine.Cell1984,39：405-416.3.KaiserCA,SchekmanR：DistinctsetsofSECgenesgoverntransportvesicleformationandfusionearlyinthesecretorypathway.Cell1990,61：723-733・4.PerinMS,FriedVA,MigneryGA,JahnR,SudhofTC：PhospholipidbindingbyasynapticvesicleproteinhomologoustotheregulatoryregionofproteinkinaseC. Nature1990,345：260-263・5.SollnerT,WhiteheartSW,BrunnerM,Erdjument-BromageH,GeromanosS,TempstP,RothmanJE：SNAPreceptorsimplicatedinvesicletargetingandfusion.Nature1993,362：318-324.6.HataY,SlaughterCA,SudhofTC：Synapticvesiclefusioncomplexcontainsunc~18homologueboundtosyntaxin.Nature1993,366：347-351.7.XuT,RammnerB,MargittaiM,ArtalejoAR,NeherE,JahnR：InhibitionofSNAREcomplexassemblydifferentiallyaffectskineticcomponentsofexocytosis.Cell1999,99：713-722.8.XuT,BinzT,NiemannH,NeherE：Multipiekineticcomponentsofexocytosisdistinguishedbyneurotoxinsensitivity・NatNeurosci1998,1：192-200.9•刘贝，宋婀莉，徐涛，细胞内的运输系统：2013年诺贝尔生理学或医学奖解析，科学通报，2013年，第58卷,第34期：3487-3488.备注：1.本文中使用的图片均为引用，引用来源详见图注。2.本文与作者发表于《科学通报》2013年第58卷第34期的 文章"细胞内的运输系统：2013年诺贝尔生理学或医学奖解析”内容有所雷同。作者简介宋婀莉，中国科学院生物物理研究所副研究员。中国科学院青年创新促进会会员。中国科学院生物物理研究所，生物大分子国家重点实验室，徐涛课题组。研究方向：囊泡转运的分子机制，蛋白质组学和蛋白质相互作用。曾获2010年中国科学院卢嘉锡青年人才奖。