专题
首页  >  专题  >  媒体视点  >  名刊精选  >  《科学24小时》

《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

文章数

细胞的“快递员”——囊泡

2014-01-25 14:52:25

细胞的“快递员”——囊泡

杨先碧

 

在电子商务高度发达的今天,快递员在各地的大街小巷中穿梭,把包裹快递到各家。在我们身体内,也有不少“快递员”在忙忙碌碌地输送着各种物质,有的是营养物,有的是垃圾,有的甚至是毒素。其中有一类“快递员”是专门帮助细胞运输物质的,这个“快递员”的名字叫囊泡。囊泡究竟是怎样运输物质的呢?三位科学家对此进行了深入研究,他们因此获得了2013 年生理学或医学奖。这三位科学家分别是美国生物学家詹姆斯·罗斯曼、兰迪·谢克曼和德国生物化学家托马斯·祖德霍夫。

25804

三类囊泡运输通路的示意图,箭头指示囊泡运输方向

 

细胞内的运输系统

生物体内的细胞也像一个个小小的工厂,它们不但会吸收各种营养物质,而且也会生成人体所需的有益化学物质,同时产生一些废弃物。血液就像人体内的长途运输公司,可把细胞产生的一些物质运输到全身各处。然而,这些物质不能直接从细胞内到达血液中,它们得靠囊泡这个“快递员”来帮忙运送。这些小小的囊泡十分机动灵活,可以随意地和细胞膜融合或分离。因此,也可以说囊泡是某些物质进出细胞的“钥匙”。

25805

细胞囊泡运输物质的原理示意图

囊泡为真核细胞中十分常见的膜泡结构。它不像内质网、高尔基复合体、溶酶体和过氧化物酶体这些细胞器那样作为一种相对稳定的细胞内固有结构存在,但仍然是细胞内膜系统不可或缺的重要功能结构组分。承担细胞内物质定向运输的囊泡类型至少有10 种以上。

囊泡运输的物质包括胰岛素、激素、生物酶、神经递质等重要的生物大分子。假如囊泡运输系统发生病变,细胞运输机制便随即不能正常运转,可能导致神经系统病变、糖尿病以及免疫紊乱等严重后果。诺贝尔奖评选委员会在声明中说:“没有囊泡运输的精确组织,细胞将陷入混乱状态。

25806

图片中的绿色小球为细胞囊泡

 

揭示囊泡的秘密

长期以来,囊泡一直被视为细胞运输系统的关键部分,但囊泡是如何到达正确的目的地、与细胞器或细胞膜融合以传递分子货物的,似乎一直很神秘。2013 年诺贝尔生理学或医学奖的三位获奖者,正是发现了这些囊泡运输物质的关键秘密:它们会把物质在正确的时间传递到正确的地点。

谢克曼发现了囊泡的基因秘密,他发现能控制细胞传输系统不同方面的三类基因,从基因层面上为了解细胞中囊泡运输的严格管理机制提供了新线索。早在20 世纪70 年代,谢克曼就对细胞如何组织运输系统很着迷,他决定用酵母作为模型系统,研究其遗传基础。通过研究,他发现由于某些基因的变化,会导致囊泡堆积在细胞的特定部位,造成类似公交拥堵现象,通过逐步定位这些基因,他发现了三类调节囊泡运输的基因。

谢克曼对于酵母中细胞运输系统的研究,让人们深入了解了酵母生产和转运各种物质的精确机制,他的成果极大地促进了现代生物、制药工业的发展。20世纪八九十年代,谢克曼的研究成果使生物产业得以利用酵母分泌系统生产和制作医药产品和工业酶。如今,全球的糖尿病患者都使用酵母生产的胰岛素,世界上绝大部分乙肝疫苗也是通过酵母分泌的。

另一位诺贝尔奖得主罗斯曼发现了囊泡与细胞膜结合的秘密,那是一种蛋白质复合物在起作用,它能令囊泡基座与其目标细胞膜融合。在20 世纪70 年代,当罗斯曼开始研究细胞运输体系时,没人能确切地明白细胞如何创造并维持如此复杂的信息运输系统。他决定创造一个无细胞系统,把这个运输体系中的各个环节在实验室中重现。可是当时很多科学家觉得根本不可能在细胞外将这些环节独立出来。

但是他做到了,而且有了许多惊人的发现。他发现一种蛋白复合物能使囊泡与目标膜进行对接、融合。在融合过程中,囊泡和目标膜上的蛋白以拉链的方式相结合。“詹姆斯既有尝试的勇气,也有成功的技能,”耶鲁大学医学院院长罗伯特·阿尔伯恩表示,“当他开始研究生涯时,许多成功的生物化学家都意识到在无细胞系统中研究分子过程很重要,但没人想到在无细胞系统中还可以研究囊泡运输,这种方法彻底改革了这一领域。”

两位美国科学家的研究给囊泡和细胞膜的融合提供了基本的机制,但囊泡融合如何精确被控制,这个问题依然令人困惑不解。共同分享此次诺奖的祖德霍夫则给出了答案,也就是说,祖德霍夫发现了囊泡“投递”物质的秘密。20 世纪90 年代,祖德霍夫开始对大脑内神经细胞是如何在相互之间进行沟通感兴趣。这种传递信息的物质被称为神经递质,这种特殊分子正是由囊泡负责运输至神经细胞的细胞膜上,并能在准确的时机获得释放。科学家们此前便已经知道钙离子参与了这一过程,后来祖德霍夫在神经细胞中找到对钙离子敏感的蛋白质。他还揭示了这种蛋白质的作用原理:它会对注入的钙离子做出反应,并控制邻近的蛋白质迅速让囊泡与神经细胞的外部细胞膜相结合,然后迅速释放信号物质。

25807

 

研究囊泡的意义

诺贝尔评奖委员会在声明中写道,三位获奖者的这些发现,让我们可以了解细胞生成的物质如何及时且精确地在细胞内传递。从酵母到人,不同的生物体利用相同的机制进行囊泡运输和融合。就像现实中的快递员会出错一样,囊泡也会因为种种原因出错,有的“罢工”不运输物质,有的运输能力减弱,有的会运错物质。这些紊乱的囊泡会让人们生病。

囊泡秘密的破译帮助研究人员更好地了解了多种疾病,包括帕金森病、脑神经功能障碍和免疫系统紊乱。诺贝尔奖评选委员会秘书长戈兰·汉松希望,囊泡运输调控机制的研究能继续推动药物研发,治疗人体代谢缺陷等疾病。三位科学家的研究可让人们准确清楚地认识相关疾病的发病机理,并为寻找治疗靶点提供了理论支持,从而使人类能够更好地战胜疾病成为可能。

举例来说,这些研究成果将有助于解释帕金森定向修复再生诊疗体系对帕金森病的科学治疗。脑神经信号因子及脑神经递质分布一直是脑科研究的核心,细胞的囊泡运输调控机制更好地解释了脑内病变的源头——脑神经元细胞囊泡基因突变。重建系统,修复再生,最终达到脑内环境微平衡是帕金森病治疗的关键。

在生物工程方面,研究囊泡最重要的应用之一是模拟生物膜。生物膜的主体是由磷脂和蛋白质定向排列组成的封闭双分子层囊泡结构。生物膜在生物活体中起着很重要的作用,具有离子迁移、免疫识别等功能。通过对囊泡的研究,可加深人们对生物膜的认识,也为人们的仿生研究提供了一条新的途径。

囊泡还有一个重要应用是可以作为药物的载体。与其它微结构相比,囊泡具有奇特的结构,即存在亲水微区和疏水微区,这使得囊泡具有同时运载水溶药物和水不溶药物的能力。同时,囊泡具有双层膜结构,与生物膜有很好的兼容性,是理想的体内药物的载体。由于分子进出囊泡需要较长的时间,利用这一特性,近年来,人们还研究如何用囊泡作为缓释剂,以更好地发挥药效。

这些年来,随着纳米技术的发展,人们也将囊泡用作模板来制备纳米材料。囊泡也可以为一些化学反应及生物化学反应提供适宜的微环境。另外,囊泡在化妆品以及食品工业也有一定的应用。

25808

 

相关链接:

2013 年生理学或医学奖获奖者简介

詹姆斯·罗斯曼:美国生物学家,1950年出生于美国马萨诸塞州。1976年获得哈佛医学院博士学位。1978年,他在加州斯坦福大学开始从事细胞囊泡的研究。之后在普林斯顿大学、纪念斯隆-凯特琳癌症研究所和哥伦比亚大学工作过。从2008年开始,他在耶鲁大学生物学系担任教授一职。

兰迪·谢克曼:美国生物学家,1948年出生于美国明尼苏达州圣保罗。1974年在斯坦福大学获得博士学位。1976年开始,他任职于加利福尼亚大学伯克利分校,目前是该大学分子和细胞生物学系教授,并兼任霍华德·休斯医学研究所研究员。

托马斯·祖德霍夫:德国生物化学家,1955年生于德国哥廷根,以研究突触传递知名。目前任美国斯坦福大学分子和细胞生理学教授。

 

名词解释:

囊泡:也称为脂质体,是指某些两亲性分子,如许多天然合成的表面活性剂及不能简单缔合成胶团的磷脂,分散于水中时会自发形成一类具有封闭双层结构的分子有序组合体。囊泡在分泌蛋白的外排过程中起重要的运输载体的作用。

神经递质:在化学突触传递中担当信使的特定化学物质,简称递质。随着神经生物学的发展,陆续在神经系统中发现了大量神经活性物质。

内质网:内质网是细胞内的一个精细的膜系统,是交织分布于细胞质中的膜的管道系统。两膜间是扁平的腔、囊或池。

高尔基复合体:也称高尔基器。是真核细胞中内膜系统的组成之一。它是由光面膜组成的囊泡系统,由扁平膜囊、大囊泡、小囊泡三个基本成分组成。

 






上一篇:假如我们失去太阳
下一篇:缉拿细菌“凶手”
©2011-2017 版权所有:中国数字科技馆
未经书面许可任何人不得复制或镜像
京ICP备11000850号 京公网安备110105007388号
信息网络传播视听节目许可证0111611号
国家科技基础条件平台