細(xì)胞的“快遞員”

曉陽

在電子商務(wù)高度發(fā)達(dá)的今天，快遞員穿梭于大街小巷，為人們把包裹快遞到家。在我們身體內(nèi)，也有不少“快遞員”在忙忙碌碌地輸送著各種物質(zhì)，有的是營養(yǎng)物，有的是垃圾，有的甚至是毒素。其中有一類“快遞員”專門幫助細(xì)胞運輸物質(zhì)，這個“快遞員”的名字叫囊泡。囊泡究竟怎樣運輸物質(zhì)呢？美國和德國的三位科學(xué)家對此進(jìn)行了深入研究，并因此獲得了2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。這三位科學(xué)家分別是美國生物學(xué)家詹姆斯·羅斯曼、蘭迪·謝克曼和德國生物化學(xué)家托馬斯·祖德霍夫。

人體里的“快遞員”

生物體內(nèi)的細(xì)胞像一個個小小的工廠，它們不但會吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，也會生成人體所需的有益化學(xué)物質(zhì)或一些廢棄物。血液就像人體內(nèi)的長途運輸公司，可把細(xì)胞產(chǎn)生的一些物質(zhì)運輸?shù)饺砀魈帯Ｈ欢?，這些物質(zhì)不能直接從細(xì)胞內(nèi)到達(dá)血液中，它們得靠囊泡這個“快遞員”來幫忙運送。這些小小的囊泡可以隨意地和細(xì)胞膜融合或分離，因此，也可以說囊泡是某些物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的“鑰匙”。

囊泡具有真核細(xì)胞中十分常見的膜泡結(jié)構(gòu)，是細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)不可或缺的重要功能結(jié)構(gòu)組分。

囊泡運輸?shù)奈镔|(zhì)包括胰島素、激素、生物酶、神經(jīng)遞質(zhì)等重要的生物大分子。假如囊泡運輸系統(tǒng)發(fā)生病變，細(xì)胞運輸機制隨即不能正常運轉(zhuǎn)，可能導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)病變、糖尿病以及免疫紊亂等嚴(yán)重后果。

揭秘囊泡接力跑

長期以來，囊泡一直被視為細(xì)胞運輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，但囊泡如何工作一直很神秘。三位獲獎?wù)?，正是發(fā)現(xiàn)了這些囊泡運輸物質(zhì)的關(guān)鍵秘密：它們會把物質(zhì)在正確的時間傳遞到正確的地點。

謝克曼發(fā)現(xiàn)了囊泡的基因秘密。

謝克曼發(fā)現(xiàn)能控制細(xì)胞傳輸系統(tǒng)不同方面的三類基因，從基因?qū)用嫔蠟榱私饧?xì)胞中囊泡運輸?shù)膰?yán)格管理機制提供了新線索。他用酵母作為模型系統(tǒng)，研究其遺傳基礎(chǔ)。結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)，某些基因的變化會導(dǎo)致囊泡堆積在細(xì)胞的特定部位，造成擁堵現(xiàn)象。通過逐步定位這些基因，他發(fā)現(xiàn)了三類調(diào)節(jié)囊泡運輸?shù)幕?。謝克曼的研究極大促進(jìn)了現(xiàn)代生物、制藥工業(yè)的發(fā)展。如今，全球的糖尿病患者都使用酵母生產(chǎn)的胰島素，世界上絕大部分乙肝疫苗也是通過酵母分泌的。

羅斯曼發(fā)現(xiàn)了囊泡與細(xì)胞膜結(jié)合原理的秘密。

在20世紀(jì)70年代，當(dāng)羅斯曼開始研究細(xì)胞運輸體系時，他決定創(chuàng)造一個無細(xì)胞系統(tǒng)，把這個運輸體系中的各個環(huán)節(jié)在實驗室中重現(xiàn)。當(dāng)時很多科學(xué)家覺得根本不可能在細(xì)胞外將這些環(huán)節(jié)獨立出來。但是羅斯曼做到了，而且有了許多驚人的發(fā)現(xiàn)。

他發(fā)現(xiàn)，一種蛋白復(fù)合物能使囊泡與目標(biāo)膜進(jìn)行對接、融合。在融合過程中，囊泡和目標(biāo)膜上的蛋白以拉鏈的方式相結(jié)合。

兩位美國科學(xué)家的研究揭示了囊泡和細(xì)胞膜的融合的基本機制，但囊泡融合如何被精確地控制，這個問題的揭秘者是祖德霍夫。

祖德霍夫發(fā)現(xiàn)了囊泡“投遞”物質(zhì)的秘密。

20世紀(jì)90年代，祖德霍夫?qū)Υ竽X內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞是如何相互進(jìn)行溝通的很感興趣。傳遞信息的物質(zhì)被稱為神經(jīng)遞質(zhì)，這種特殊分子正是由囊泡負(fù)責(zé)運輸至神經(jīng)細(xì)胞的細(xì)胞膜上，并能在準(zhǔn)確的時機獲得釋放的?？茖W(xué)家們此前便已經(jīng)知道鈣離子參與了這一過程，后來祖德霍夫在神經(jīng)細(xì)胞中找到對鈣離子敏感的蛋白質(zhì)。他還揭示了這種蛋白質(zhì)的作用原理：它會對注入的鈣離子做出反應(yīng)，并控制鄰近的蛋白質(zhì)迅速讓囊泡與神經(jīng)細(xì)胞的外部細(xì)胞膜相結(jié)合，然后迅速釋放信號物質(zhì)。

研究囊泡有啥用

然而，就像現(xiàn)實中的快遞員一樣，囊泡也會因為種種原因出錯，有的“罷工”不運輸物質(zhì)，有的運輸能力減弱，有的會運錯物質(zhì)。這些紊亂的囊泡會讓人們生病。

三位科學(xué)家的研究可讓人們準(zhǔn)確清楚地認(rèn)識相關(guān)疾病的發(fā)病機理，并為尋找治療靶點提供了理論支持，從而使人類更好地戰(zhàn)勝疾病成為可能。舉例來說，細(xì)胞的囊泡運輸調(diào)控機制更好地解釋了腦內(nèi)病變的源頭——腦神經(jīng)元細(xì)胞囊泡基因突變，而重建系統(tǒng)，修復(fù)再生，最終達(dá)到腦內(nèi)環(huán)境微平衡是帕金森病治療的關(guān)鍵。

在生物工程方面，研究囊泡最重要的應(yīng)用之一是模擬生物膜。生物膜的主體是由磷脂和蛋白質(zhì)定向排列組成的封閉雙分子層結(jié)構(gòu)。生物膜在生物活體中起著很重要的作用，具有離子遷移、免疫識別等功能。對囊泡的研究可加深人們對生物膜的認(rèn)識，也為人們的仿生研究提供了一條新的途徑。

囊泡還有—個重要應(yīng)用是作為藥物的載體。與其他微結(jié)構(gòu)相比，囊泡具有奇特的結(jié)構(gòu)，即存在親水微區(qū)和疏水微區(qū)，這使得囊泡具有同時運載水溶藥物和水不溶藥物的能力。同時，囊泡具有雙層膜結(jié)構(gòu)，與生物膜有很好的兼容性，是理想的體內(nèi)藥物的載體。由于分子進(jìn)出囊泡需要較長的時間，近年來，人們研究用囊泡作為緩釋劑，能更好地發(fā)揮藥效。

這些年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人們也將囊泡用作模板來制備納米材料。另外，囊泡在化妝品工業(yè)以及食品工業(yè)也有一定的應(yīng)用。