细胞与分子生物学作业.doc

囊泡的运输历史 另类的快递员 “做一个不太精确的比喻：囊泡如同一个快递员，负责细胞器以及细胞之间货物的打包以及传递。” 细胞内每时每刻都在制造大量蛋白“货物”。包括激素、神经递质等，这些“货物”需要精确定位以保证其正常功能的发挥和实现，目前已知这些物质的运输通过囊泡 (vesicle)介导完成。囊泡运输对蛋白质的有序分布和定位具有十分重要的意义，若功能异常，将损害细胞功能并导致疾病发生[1]。 囊泡运输引起科学家的关注，主要开始于20世纪60年代。美国细胞生物化学家乔治·帕拉德(GeorgePalade，1974年诺贝尔生理学或医学奖获得者)等结合形态学和细胞组分分离方法观察到细胞内不同的细胞器间存在蛋白运输，如分泌蛋白需要首先进人内质网，然后通过高尔基体加工后分泌到细胞外。显微镜下观察到该过程由一种被称为囊泡的结构介导完成。借助显微镜，研究人员对囊泡运输进行了观察,发现囊泡可从一个膜上出芽或剪切，然后运输到另一膜处与其结合或融合，多种类型的囊泡有序往返，将所包含的蛋白“货物”精确运输到正确位置。但当时的研究仅停留在形态描述上，对分子机制涉及较少，许多重要问题并未解决，如囊泡如何从膜上出芽、囊泡如何确定“货物”去处，以及如何实现与靶膜(而不是其他膜 )的特异性融合等[2]。这些问题引起了许多科学家的关注。包括谢克曼和罗斯曼,因此他们决定首先鉴别出囊泡运输的相关分子[3]。 1975年，谢克曼从斯坦福大学获得博士学位，导师是科恩伯格 (ArthurKornberg，1959年诺贝尔生理学或医学奖获得者)，谢克曼重点研究细菌DNA复制机制，并掌握了低等生物实验操作方法。毕业后，谢克曼进入加州大学圣地亚哥分校跟随辛格 (SeymourJonathan Singer，生物膜流体镶嵌模型提出者)研究膜结构。不久谢克曼发现哺乳动物细胞过于复杂，因此决定寻找新的模式细胞进行研究。当时，哈特韦尔(Leland Harrison Har— twel，2001年诺贝尔生理学或医学奖获得者)以酵母为材料研究细胞周期取得了重大突破[4]。这给予谢克曼极大信心，他决定选择大多科学家都认为不适合研究分泌机制的酵母细胞作为材料。 1976年，谢克曼成为加州大学伯克利分校助理教授，他开始运用遗传学方法寻找酵母细胞内的囊泡运输相关分子。谢克曼和助手首先利用显微镜和细胞化学染色方法，观察到酵母内存在与哺乳动物细胞类似的囊泡结构。并推测这些囊泡对于酵母细胞内酶的运输具有重要意义。 经过一段时间的研究，谢克曼和学生对酵母突变体进行大规模筛选，最终获得23个参与蛋白质分泌的基因，根据它们作用途径 (如内质网、高尔基体或其他)的差异而将其分为 3类。谢克曼利用酵母遗传学分析所获得23个分泌基因 (seel—sec23)开创了囊泡运输分子机制研究的新领域[5]。 囊泡很忙，需要日夜穿梭运输货物。但如果运输系统杂乱无章，必然会让细胞陷入紊乱的状况，导致交通堵塞。那么，由谁来疏导“交通堵塞”？诺奖获得者之一的科学家兰迪·谢克曼找到了答案：基因。囊泡运输调节通常是由蛋白质实现的，而蛋白质又是通过基因的表达活动实现，谢克曼发现的就是控制囊泡运输的这些蛋白质是哪些基因表达的。因此，囊泡运输的过程是否正常，与这组基因是否正常表达就有直接关系[6]。 如果说谢克曼找到了导致囊泡运输“交通拥堵”的原因，另一位获奖者罗斯曼则挖掘出可指挥囊泡在正确的位置上释放其所运载的“分子货复合物。罗斯曼在20世纪80年代和90年代间，利用哺乳动物细胞研究囊泡运输系统。他发现囊泡与目标细胞膜准确“接头”的关键物质是蛋白复合物。需要“接头”的两者，即囊泡与目标细胞膜上含有高度特异性的蛋白复合物，它们的结构就像拉链的一边，如果能紧密吻合，囊泡便找到了自己的“送货地址”。事实上，这样的蛋白有很多种，并且只有当合适的配对出现时才会发生融合，这就确保了“货物”只会被运输到设定的位置上。这一机制不管是在内部细胞器之间的运输，还是向外的运输过程中都会起作用[7]。 囊泡运输细胞内的“货物”，从一个部位到另外一个部位，或者将一个“细胞货物”运输到另外一个细胞，还有很关键的一步，即“送货时间”。因为，囊泡里的物质在传递时要按需传递，什么时候需要了才会释放出去，这是需要指令的。不同的指令代表着该送不同的物质，比如说A指令来了之后是送胰岛素，B指令来了之后是送生长因子。这样的问题在2013年的诺贝尔获奖者之一聚德霍夫给出了答案——钙离子是囊泡运输时间调控的“信号灯”[8]。 聚德霍夫发现，钙离子经过特定的通道进入细胞后，一种叫做“突触结合蛋白”的蛋白，对钙离子的浓度非常敏感，当这种蛋白感受到高浓度的钙时，它就会对囊泡发出指令：是时候了，可以和膜融合释放囊泡内的物质了。随后，囊泡就会将神