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细胞里的“物流”机制

发布日期:2014-10-18 09:45

在(zai)新陈代(dai)谢过程中,细胞(bao)是如何(he)将大量物(wu)质进(jin)行(xing)分(fen)拣、包装(zhuang)并送(song)货的(de),三位诺(nuo)贝尔奖(jiang)获得者(zhe)发现,问题的(de)关键在(zai)于(yu)囊(nang)泡运输系统。

在显微镜下,神经(jing)(jing)元(yuan)看起来(lai)就(jiu)像是纸(zhi)张(zhang)被揉皱又摊开后的(de)细小褶(zhe)皱,它们之间(jian)靠突触进(jin)行(xing)沟通,而这正是人脑能(neng)够运(yun)行(xing)的(de)基础。美(mei)国斯(si)坦福大学(xue)的(de)神经(jing)(jing)科学(xue)家托(tuo)马斯(si)·苏(su)德霍夫(Thomas Südhof)的(de)研究兴(xing)趣就(jiu)是搞清(qing)楚神经(jing)(jing)元(yuan)之间(jian)的(de)“通讯”是如何进(jin)行(xing)的(de)。

2013年10月7日,诺(nuo)贝(bei)尔(er)奖(jiang)网(wang)站把电(dian)(dian)话(hua)打(da)到(dao)(dao)苏德霍夫的手机上(shang)时(shi),他正在(zai)西班(ban)牙的路(lu)上(shang)开车(che),当天(tian)下午(wu)他要到(dao)(dao)巴(ba)埃(ai)萨(sa)去做一个(ge)学术报告。他起初以(yi)为是同行打(da)来(lai)(lai)电(dian)(dian)话(hua)给他指路(lu),于是就把车(che)开进一个(ge)停(ting)车(che)场(chang)去接电(dian)(dian)话(hua),没想到(dao)(dao)这是来(lai)(lai)自瑞典的电(dian)(dian)话(hua)。

在此(ci)之前,诺贝尔奖网站的(de)工作人员(yuan)把电话打到(dao)苏德(de)霍夫家里(li)去(qu),但他(ta)不在家。电话响了三遍,他(ta)的(de)太(tai)太(tai)陈(chen)路才决定下楼接听,她还以为是(shi)哪个搞不清时区的(de)中国亲(qin)戚打来的(de)。

瑞典皇家(jia)科(ke)学(xue)(xue)院宣布把(ba)2013年的(de)诺贝尔生(sheng)(sheng)理学(xue)(xue)或(huo)医学(xue)(xue)奖(jiang)颁给三(san)名在“细胞物质运输”研(yan)究上(shang)做出(chu)突出(chu)贡献的(de)科(ke)学(xue)(xue)家(jia)——美国(guo)的(de)詹姆(mu)斯·罗(luo)斯曼(man)(James Rothman)和兰迪(di)·舒克(ke)曼(man)(Randy Schekman),及出(chu)生(sheng)(sheng)于德国(guo)的(de)托马斯·苏德霍夫(Thomas Südhof) 。

苏德(de)霍夫虽然没(mei)有与其他(ta)两(liang)位(wei)一(yi)起工(gong)作过,但(dan)他(ta)们三人(ren)共同(tong)解决了生物学的(de)一(yi)个重大(da)问题,即“细(xi)(xi)胞如何在(zai)新陈(chen)代谢过程中将大(da)量物质进行分拣、包(bao)装并(bing)在(zai)正确的(de)时(shi)间(jian)送到正确的(de)地(di)点”。这三位(wei)诺贝尔奖获(huo)得者已经向人(ren)们展示,问题的(de)关键在(zai)于细(xi)(xi)胞内存在(zai)的(de)囊泡运输系统。

身体里的物流网络

与现(xian)代社会(hui)发达的(de)物流网络可(ke)以将货物准(zhun)确地送至千家万户(hu)一(yi)样,细(xi)胞(bao)(bao)内(nei)也需要一(yi)个类似的(de)运输(shu)系统将细(xi)胞(bao)(bao)产生的(de)分子(zi),如激素(su)、神经递质和细(xi)胞(bao)(bao)因(yin)子(zi)等运输(shu)到细(xi)胞(bao)(bao)内(nei)的(de)其他地方(fang)或(huo)转(zhuan)运出细(xi)胞(bao)(bao)。

早在(zai)(zai)40年前,著名(ming)细(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)生物(wu)(wu)学家、诺(nuo)贝尔(er)生理学或(huo)医学奖得(de)主乔治·帕拉德(de)(George Palade)就在(zai)(zai)电(dian)子(zi)显微(wei)(wei)镜下发(fa)现(xian)了(le)细(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)内的(de)运输网(wang)络。他发(fa)现(xian)细(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)内存在(zai)(zai)一(yi)种膜包裹形成(cheng)的(de)微(wei)(wei)型(xing)(xing)小泡(pao)也就是囊泡(pao)。这(zhei)些囊泡(pao)能够(gou)(gou)带(dai)着细(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)货物(wu)(wu)穿梭于各细(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)器(qi)间(jian),或(huo)是与细(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)膜融合将(jiang)货物(wu)(wu)释放到(dao)细(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)外(wai)去。囊泡(pao)的(de)存在(zai)(zai)能够(gou)(gou)有效地防止不(bu)同类型(xing)(xing)、不(bu)同去处(chu)的(de)细(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)货物(wu)(wu)混杂在(zai)(zai)一(yi)起(qi)。

该(gai)发现很快被大多数科学家(jia)所(suo)接受,然而随之而来的(de)是一个(ge)更复杂的(de)问题,即“这些(xie)囊泡如何知(zhi)道何时在哪(na)里交付货物”。

1976年(nian),美国(guo)加州(zhou)大学(xue)伯克利分(fen)校的(de)舒(shu)克曼(man)建(jian)立(li)了一(yi)(yi)个(ge)实验室,开始采用一(yi)(yi)种不同寻常的(de)方法探究这(zhei)一(yi)(yi)问题。以酵(jiao)母为模(mo)式动物(wu),试(shi)图研究细胞内物(wu)质运输系统的(de)机制。那个(ge)时候(hou),一(yi)(yi)些同行(xing)认为他这(zhei)个(ge)研究是一(yi)(yi)个(ge)“愚蠢的(de)决(jue)定(ding)”。

通过(guo)基因筛选(xuan),他发现一(yi)株运输(shu)系统有缺陷(xian)的酵(jiao)母细(xi)(xi)胞,这种细(xi)(xi)胞中的囊泡(pao)堆(dui)积在细(xi)(xi)胞内的某(mou)些(xie)部位,好像物(wu)流网络瘫痪造(zao)成(cheng)(cheng)货物(wu)堆(dui)积一(yi)样(yang)。他发现某(mou)些(xie)遗传(chuan)基因的突变(bian)造(zao)成(cheng)(cheng)了该酵(jiao)母细(xi)(xi)胞的缺陷(xian)。

以这些(xie)基因为(wei)(wei)突(tu)破(po)口,又经过10年的研(yan)究(jiu),舒克曼鉴(jian)定出了(le)三(san)类在不同(tong)阶段调控囊泡(pao)运输的基因,从而为(wei)(wei)物质运输系统的机制(zhi)提供(gong)了(le)一套(tao)新的见解。

最早的(de)时(shi)候(hou),舒克曼在(zai)酵(jiao)母(mu)上的(de)研(yan)究不但被(bei)一些人认(ren)为是(shi)(shi)愚蠢的(de),而且(qie)还(hai)是(shi)(shi)常(chang)(chang)常(chang)(chang)不被(bei)看好的(de)基础研(yan)究。不过,他(ta)的(de)研(yan)究后来被(bei)证明极具价值。在(zai)1980年代和1990年代,许(xu)多药物的(de)研(yan)发(fa)得益于他(ta)对酵(jiao)母(mu)的(de)研(yan)究。直到(dao)今(jin)天,全世界三分之(zhi)一的(de)胰岛(dao)素也都(dou)是(shi)(shi)从酵(jiao)母(mu)中来的(de)。

与(yu)舒克曼同一(yi)时期(qi),当时还(hai)在斯(si)坦福大学的(de)(de)罗斯(si)曼也建立了(le)自己的(de)(de)实验室,他利(li)用哺乳(ru)动物(wu)细胞(bao)(bao)进(jin)行类(lei)似(si)的(de)(de)实验。他发(fa)现(xian)了(le)一(yi)种影响细胞(bao)(bao)物(wu)质运输的(de)(de)蛋(dan)白,而编码该蛋(dan)白的(de)(de)基因与(yu)舒克曼在酵(jiao)母中发(fa)现(xian)的(de)(de)突变基因相(xiang)对应,这意味着囊泡运输系统(tong)有着共同的(de)(de)演化起(qi)源。

除此以(yi)外,罗斯曼还发现了(le)(le)一个蛋白复合(he)物,它(ta)能(neng)使囊泡(pao)与目的(de)地的(de)膜系统进(jin)(jin)行对(dui)接和融合(he)。为了(le)(le)确保货物被交(jiao)付到(dao)精(jing)确的(de)位(wei)置,它(ta)们只会(hui)以(yi)特异性的(de)方式(shi)进(jin)(jin)行结合(he)。该发现阐明了(le)(le)囊泡(pao)如(ru)何转运至目标的(de)机制。

这(zhei)些发现早(zao)就让舒克曼和(he)罗斯(si)(si)曼成为(wei)诺(nuo)奖(jiang)(jiang)的(de)(de)热门人物。在2002年,他们获得(de)了美国的(de)(de)拉斯(si)(si)克奖(jiang)(jiang)。有很多这(zhei)个奖(jiang)(jiang)项的(de)(de)获得(de)者随后(hou)还会(hui)获得(de)诺(nuo)贝尔(er)奖(jiang)(jiang),因而它常常被(bei)当成某种“指(zhi)针(zhen)”。这(zhei)两位生物学家也不例外,他们在内心当中(zhong)都期待着能在某一(yi)年的(de)(de)10月份接到来自斯(si)(si)德哥尔(er)摩(mo)的(de)(de)电话。

在(zai)一份(fen)新闻(wen)材(cai)料中(zhong),加州大学伯克利分校描述(shu)称,每一年,在(zai)那个令(ling)人期(qi)待的早(zao)晨来了又去(qu)、唯(wei)独没有(you)瑞典电(dian)话的时(shi)候,舒克曼(man)(man)和罗(luo)斯曼(man)(man)就会(hui)互通电(dian)话。舒克曼(man)(man)会(hui)借用电(dian)影中(zhong)的说法,把这一天称为(wei)“土(tu)拨鼠日”。在(zai)电(dian)影《土(tu)拨鼠日》中(zhong),主(zhu)人公每天都会(hui)重复相同(tong)的故(gu)事(shi)。

这样的(de)日子(zi)重复了(le)十年。2013年10月(yue)6日晚上,舒克曼从德国(guo)领(ling)了(le)一(yi)个奖回到家,那是德国(guo)在(zai)生物化学领(ling)域的(de)最高奖之一(yi)。躺(tang)下没几个小时,他就(jiu)听见太太抱着(zhe)电话(hua)(hua)(hua)对他喊:“来(lai)(lai)电话(hua)(hua)(hua)了(le)!来(lai)(lai)电话(hua)(hua)(hua)了(le)!”这一(yi)年,瑞典(dian)终于来(lai)(lai)电话(hua)(hua)(hua)了(le)。“我(wo)的(de)天哪(na)。”舒克曼说这是他的(de)第一(yi)反(fan)应(ying),“我(wo)的(de)第二反(fan)应(ying)也是这个。” 

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