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细胞里的“物流”机制

发布:jstzhycb 浏览:499次

在新陈代谢过程中,细胞是 如何将大量物质进行分拣、包装并送货的,三位诺 贝尔奖获得者发现,问题的 关键在于囊泡运输系统。


在显微镜下,神经元 看起来就像是纸张被揉皱又摊开后的细小褶皱,它们之 间靠突触进行沟通,而这正 是人脑能够运行的基础。美国斯 坦福大学的神经科学家托马斯·苏德霍夫(Thomas Südhof)的研究 兴趣就是搞清楚神经元之间的“通讯”是如何进行的。


2013年10月7日,诺贝尔 奖网站把电话打到苏德霍夫的手机上时,他正在 西班牙的路上开车,当天下 午他要到巴埃萨去做一个学术报告。他起初 以为是同行打来电话给他指路,于是就 把车开进一个停车场去接电话,没想到 这是来自瑞典的电话。


在此之前,诺贝尔 奖网站的工作人员把电话打到苏德霍夫家里去,但他不在家。电话响了三遍,他的太 太陈路才决定下楼接听,她还以 为是哪个搞不清时区的中国亲戚打来的。


瑞典皇 家科学院宣布把2013年的诺 贝尔生理学或医学奖颁给三名在“细胞物质运输”研究上 做出突出贡献的科学家——美国的詹姆斯·罗斯曼(James Rothman)和兰迪·舒克曼(Randy Schekman),及出生 于德国的托马斯·苏德霍夫(Thomas Südhof) 。


苏德霍 夫虽然没有与其他两位一起工作过,但他们 三人共同解决了生物学的一个重大问题,即“细胞如 何在新陈代谢过程中将大量物质进行分拣、包装并 在正确的时间送到正确的地点”。这三位 诺贝尔奖获得者已经向人们展示,问题的 关键在于细胞内存在的囊泡运输系统。


身体里的物流网络


与现代 社会发达的物流网络可以将货物准确地送至千家万户一样,细胞内 也需要一个类似的运输系统将细胞产生的分子,如激素、神经递 质和细胞因子等运输到细胞内的其他地方或转运出细胞。


早在40年前,著名细胞生物学家、诺贝尔 生理学或医学奖得主乔治·帕拉德(George Palade)就在电 子显微镜下发现了细胞内的运输网络。他发现 细胞内存在一种膜包裹形成的微型小泡也就是囊泡。这些囊 泡能够带着细胞货物穿梭于各细胞器间,或是与 细胞膜融合将货物释放到细胞外去。囊泡的 存在能够有效地防止不同类型、不同去 处的细胞货物混杂在一起。


该发现 很快被大多数科学家所接受,然而随 之而来的是一个更复杂的问题,即“这些囊 泡如何知道何时在哪里交付货物”。


1976年,美国加 州大学伯克利分校的舒克曼建立了一个实验室,开始采 用一种不同寻常的方法探究这一问题。以酵母为模式动物,试图研 究细胞内物质运输系统的机制。那个时候,一些同 行认为他这个研究是一个“愚蠢的决定”。


通过基因筛选,他发现 一株运输系统有缺陷的酵母细胞,这种细 胞中的囊泡堆积在细胞内的某些部位,好像物 流网络瘫痪造成货物堆积一样。他发现 某些遗传基因的突变造成了该酵母细胞的缺陷。


以这些基因为突破口,又经过10年的研究,舒克曼 鉴定出了三类在不同阶段调控囊泡运输的基因,从而为 物质运输系统的机制提供了一套新的见解。


最早的时候,舒克曼 在酵母上的研究不但被一些人认为是愚蠢的,而且还 是常常不被看好的基础研究。不过,他的研 究后来被证明极具价值。在1980年代和1990年代,许多药 物的研发得益于他对酵母的研究。直到今天,全世界 三分之一的胰岛素也都是从酵母中来的。


与舒克曼同一时期,当时还 在斯坦福大学的罗斯曼也建立了自己的实验室,他利用 哺乳动物细胞进行类似的实验。他发现 了一种影响细胞物质运输的蛋白,而编码 该蛋白的基因与舒克曼在酵母中发现的突变基因相对应,这意味 着囊泡运输系统有着共同的演化起源。


除此以外,罗斯曼 还发现了一个蛋白复合物,它能使 囊泡与目的地的膜系统进行对接和融合。为了确 保货物被交付到精确的位置,它们只 会以特异性的方式进行结合。该发现 阐明了囊泡如何转运至目标的机制。


这些发 现早就让舒克曼和罗斯曼成为诺奖的热门人物。在2002年,他们获 得了美国的拉斯克奖。有很多 这个奖项的获得者随后还会获得诺贝尔奖,因而它 常常被当成某种“指针”。这两位 生物学家也不例外,他们在 内心当中都期待着能在某一年的10月份接 到来自斯德哥尔摩的电话。


在一份新闻材料中,加州大 学伯克利分校描述称,每一年,在那个 令人期待的早晨来了又去、唯独没 有瑞典电话的时候,舒克曼 和罗斯曼就会互通电话。舒克曼 会借用电影中的说法,把这一天称为“土拨鼠日”。在电影《土拨鼠日》中,主人公 每天都会重复相同的故事。


这样的 日子重复了十年。2013年10月6日晚上,舒克曼 从德国领了一个奖回到家,那是德 国在生物化学领域的最高奖之一。躺下没几个小时,他就听 见太太抱着电话对他喊:“来电话了!来电话了!”这一年,瑞典终于来电话了。“我的天哪。”舒克曼 说这是他的第一反应,“我的第 二反应也是这个。”


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