细胞的“快递员”

杨先碧

细胞囊泡运输物质的原理示意图

细胞囊泡运输物质

在物流高度发达的今天，快递员正在各地的大街小巷中穿梭，把包裹按时为人们准确快递到家。其实，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”专门帮助细胞运输物质，这个“快递员”的名字叫“囊泡”。

囊泡究竟具有怎样的结构？它们又是如何运输物质的？它们究竟有什么作用呢？美国和德国的三位科学家对这些问题进行了深入研究，取得了令世人瞩目的成果，他们因此获得了“2013年诺贝尔生理学或医学奖”。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。

细胞内的运输系统

生物体内的细胞就像一个个小工厂，它们不但会吸收各种营养物质，还会生成生物体所需的有益化学物质，也产生一些废弃物。血液就像人体内的“长途运输公司”，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，它们得靠一个叫“囊泡”的“快递员”来帮忙运送。因此，也可以说囊泡是某些物质进出细胞的“钥匙”。

囊泡在细胞生物学中是指细胞内的一类体积相对较小的囊状构造，这些囊泡外围由至少一层的脂质双层分子膜构成，用来存放、消化或传送细胞的产物及废物。它像一个皮球，它的“皮”就是生物膜。囊泡有10多种类型，它们负责运输的物质包括胰岛素、激素、生物酶和神经递质等重要的生物大分子。

囊泡是真核细胞中一种十分常见的结构，虽然它并非细胞的固有结构，也不是类似内质网、核糖体、高尔基体一样的细胞器，但它仍然是细胞内膜系统中不可或缺的重要组分。囊泡“潜伏”在细胞膜附近，在细胞器间来回穿梭，或者与细胞外膜融合，把细胞内生产的物质运输到细胞外。在细胞这个繁忙的“工厂”中，不计其数的囊泡将细胞本身产生或从外面进来的一些分子与物质包裹起来进行传送，以满足生命活动的需要。

囊泡的基因秘密

长期以来，囊泡一直被视为细胞运输系统的关键部分，它会把物质在正确的时间传递到正确的地点。但是，囊泡究竟如何到达正确的目的地，又是如何与细胞器或细胞膜融合以传递分子“货物”的呢？这一直是一个谜。罗斯曼等三位获奖者发现了囊泡的秘密。

美国科学家谢克曼主要是发现了囊泡的基因秘密，他的研究从基因层面上为了解细胞中囊泡运输的精准机制提供了新线索。

早在20世纪70年代，谢克曼就对细胞的运输系统如何运作很着迷，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“堵车”的现象。通过逐步定位这些基因，他发现了三类调节囊泡运输功能的基因。

谢克曼对酵母中细胞运输系统的研究，让人们深入地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，谢克曼的研究结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生产的。

囊泡“开门”的秘密

谢克曼发现了囊泡是某些物质进出细胞的“钥匙”，而另外一位美国科学家罗斯曼却发现了囊泡“开门”的秘密，即发现了囊泡与细胞膜结合的秘密。他认为，那是一种蛋白质复合物在起作用，正是这种蛋白质复合物可令囊泡基座与其目标细胞膜融合。

罗斯曼最初是学物理的，后来转向分子生物学，正是两个学科的学习为他日后的研究打下了深厚的基础。

在20世纪70年代，当罗斯曼开始研究细胞运输体系时，没人确切地知道细胞是如何创造并维持如此复杂的信息运输系统的。罗斯曼决定融合物理学和分子生物学的研究方法，在实验室中创造一个无细胞的模拟系统，把囊泡运输体系中的各个环节在实验室中重现。当时很多科学家都觉得根本不可能在细胞外将这些环节独立出来。

但是罗斯曼做到了，而且有了许多惊人的发现。他发现了一种蛋白复合物，它能使囊泡与目标膜进行对接、融合。囊泡膜与目标细胞膜上特定的蛋白质发生结合，囊泡便找到了自己的“送货地址”。这个过程，就像是快递的送货员和顾客“接头”的过程。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。这个过程，就如同是快递员敲门、顾客开门的过程。

囊泡“投递”物质的秘密

两位美国科学家的研究给囊泡和细胞膜的融合机制提供了基本的解释，但囊泡融合是如何被精确控制的呢？这个问题依然令人困惑。共同分享本次诺奖的祖德霍夫则给出了答案。祖德霍夫发现了囊泡“投递”物质的秘密。

祖德霍夫最初是学习医学，后来才转到分子生物学的研究，所以他历来对寻找疾病的分子机制有着更大的兴趣。因此，他把囊泡的运输活动放在特定的身体部位——大脑里去研究，因为大脑中的囊泡如果出错会导致许多神经性疾病。

20世纪90年代，祖德霍夫想知道大脑中的信号是如何从一个神经细胞传输到另外一个细胞的，以及钙离子是如何调控这一过程的。

大脑中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，并能在准确的时机释放它们。他还发现了脑细胞是怎样感知钙离子的，并将其转换成囊泡中分子的形式，囊泡会在适当时机释放“信号物质”以传递信号。这个过程，就如同快递员确定投递时间的过程。

 图片中的绿色小球为细胞囊泡

囊泡出错引发疾病

诺贝尔评奖委员会在颁奖词中写道，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物质运输。

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。囊泡运输发生障碍会导致细胞甚至整个人体出现很多功能障碍，这意味着若它们出问题，我们的小命也可能不保了。因此，有关囊泡诸多秘密的发现，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等。

囊泡运输调控机制的研究有望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理论支持，从而帮助人类更好地战胜疾病。瑞典卡罗琳研究所临床肿瘤学教授简英奇·亨特表示：“这些美妙的发现对了解人体非常重要，同时对神经系统疾病、糖尿病和免疫功能失调等各器官疾病的研究有显著意义。”

囊泡的重要应用

几个世纪以来，细胞生物学家主要研究静态的细胞，囊泡运输调控机制的发现打开了动态细胞研究的大门，开启了细胞生物学研究的新阶段。

在生物工程方面，囊泡研究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作为药物的载体。与其他微结构相比，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性药物和疏水药物的能力。同时，囊泡具有双层膜结构，与生物膜有很好的兼容性，是理想的体内药物载体。由于分子进出囊泡需要较长的时间，因此，利用这一特性，近年来人们研究用囊泡作为缓释剂，以更好地发挥药效。

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。此外，在化妆品工业以及食品工业方面，囊泡也有一些应用。

2013年诺贝尔生理学或医学奖获奖者简介

詹姆斯·罗斯曼（James Rothman），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年开始在耶鲁大学生物学系任教授。

兰迪·谢克曼（Randy Schekman），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（Thomas Südhof），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。

生理学或医学奖三位获奖者（从左至右依次为詹姆斯·罗斯曼、兰迪·谢克曼和托马斯·祖德霍夫）