2013年諾貝爾生理學或醫學獎揭曉—新聞—科學網

James E. Rothman

Randy W. Schekman

Thomas C. Südhof

 

北京時間10月7日下午5點30分，2013年諾貝爾生理學或醫學獎揭曉，美國、德國3位科學家James E. Rothman, Randy W. Schekman和Thomas C. Südhof獲獎。獲獎理由是「發現細胞內的主要運輸系統——囊泡運輸的調節機制」。

  

James E. Rothman

於1950年出生於美國麻省Haverhill，1976年從哈佛醫學院獲得博士學位，曾在MIT做過博後。1978年他進入史丹福大學，開始了對細胞囊泡的研究。他曾任職的研究機構還包括普林斯頓大學、紀念斯隆-凱特靈癌症研究所和哥倫比亞大學。2008年，他加入耶魯大學，目前為該校教授和細胞生物學系主席。

 

Randy W. Schekman

於1948年出生於美國明尼蘇達州St Paul，曾就學於加州大學洛杉磯分校和史丹福大學，1974年從史丹福大學獲得博士學位，導師為1959年諾獎得主Arthur Kornberg，所在院系正是幾年後Rothman加入的系。1976年，Schekman加入加州大學伯克利分校，目前為該校分子與細胞生物學系教授。他同時也是霍華德•休斯醫學研究院研究人員。

 

Thomas C. Südhof

於1955年出生於德國Göttingen，他曾就學於哥廷根大學，1982年從該校獲得MD學位並於同年獲得該校神經化學博士學位。1983年，他加入美國德州大學西南醫學中心，作為Michael Brown和Joseph Goldstein的博後（二人於1985年獲得諾貝爾生理學或醫學獎）。Südhof於1991年成為霍華德•休斯醫學研究院研究人員，2008年成為史丹福大學分子與細胞生理學教授。

  

2013年諾貝爾生理學或醫學獎授予了三位解開細胞如何組織其運輸系統之謎的科學家。每個細胞如同一座工廠，製造和輸出著各類分子比如胰島素產生後釋放到血液中，而被稱為神經傳遞素的化學信號則通過一個神經細胞傳遞到另外一個神經細胞。這些分子都被運輸到細胞周圍的被稱為囊泡的小「包裹」中。這次獲獎的三位科學家解開了調控運輸物在正確時間投遞到細胞中正確位置的分子原理。

 

 Randy Schekman發現了囊泡傳輸所需的一組基因；James Rothman闡明了囊泡是如何與目標融合併傳遞的蛋白質機器；Thomas Südhof則揭示了信號是如何引導囊泡精確釋放被運輸物的。

 

通過研究，Rothman, Schekman和Südhof揭開了細胞物質運輸和投遞的精確控制系統的面紗。該系統的失調會帶來有害影響，並可導致諸如神經學疾病、糖尿病和免疫學疾病等的發生。

 

物質是如何傳遞到細胞內

 

對於一個龐大且繁忙的港口，需要一套運行體制保證正確的貨物在正確的時間運送到正確的地點。細胞，有著被稱為細胞器的不同「隔間」，也面臨著類似問題：細胞產生分子物質如荷爾蒙、神經傳遞素、細胞因子、酶等，然後將這些物質在正確的時間裡傳送到細胞中其他地方或者細胞外。時間和地點決定一切。囊泡體積微小、呈泡狀，外面包裹著膜，或在細胞器之間來回運輸物質、或與細胞外膜融合將物質釋放在外。這一過程十分重要，因為該過程可在有遞質的條件下觸發神經活動，或在有荷爾蒙的條件下控制代謝。囊泡又如何知道何時何地「發貨」呢？

 

「交通堵塞」揭示遺傳控制

 

Randy Schekman醉心於研究細胞如何組織其運輸系統，他在上個世紀70年代決定利用酵母菌作為模型系統來從遺傳原理上研究該系統。通過遺傳篩查，他發現酵母菌的運輸機制有缺陷，其運輸系統很差勁，囊泡在細胞的特定區域堆積。他發現導致這種「堵塞」的原因是遺傳的，便繼續研究，試圖找到變異的基因。Schekman發現三類基因能夠控制細胞運輸系統的不同方面，從而為了解細胞囊泡運輸的精密調控機制提供一種新認識。

 

精確「停靠」

 

James Rothman同樣著迷於研究細胞運輸系統的本質。當Rothman在上個世紀80至90年代研究哺乳動物細胞內的囊泡運輸時，他發現一種蛋白複合物能讓囊泡進入並融合目標膜。在融合過程中，囊泡上的蛋白質與目標膜如同拉鏈一般相互結合。這樣的蛋白質數量很多且只以特定方式結合，如此使得運輸物質能夠投遞到精確位置。同樣的原理也在細胞內運行著，當囊泡與細胞外膜結合時便釋放其內容物。

 

後來人們發現，Schekman在酵母菌中發現的基因一部分可編碼Rothman在哺乳動物中找到的那些蛋白，從而揭開了這種運輸系統的古老進化起源。他們一同繪製出了這種細胞運輸機制的關鍵部分。

 

Thomas Südhof對於腦中的神經細胞如何相互交流很感興趣。信號分子——神經遞質從囊泡中釋放，通過Rothman和Schekman發現的機制，與神經細胞的外膜融合。不過，只有當神經細胞向其「鄰居」發信號時，這些囊泡才被「允許」釋放其內容物。這種控制方式為何如此精確？已知的是，鈣離子參與其中，在1990年代，Südhof在神經細胞中搜索鈣敏感蛋白。他鑑別出這種分子機制，即響應鈣離子流入，指導臨近蛋白快速將囊泡綁定至神經細胞外膜。「拉鏈」開啟，信號物質釋放出來。Südhof的發現解釋了短暫的精確如何實現，以及囊泡內容物如何按指令釋放。

 

囊泡運輸有助理解疾病過程

 

三位諾獎得主發現了細胞生理學的一個基礎性過程。這些發現對於我們理解「貨物」如何以完美的時機和精確性在細胞內外進行轉運具有重大的影響。在從酵母到人類的眾多有機體中，囊泡運輸和融合採用的是相同的原理。這一系統對於眾多的生理學過程極為重要，在這些生理學過程中，囊泡融合必須被控制，包括在腦中發信號以及釋放荷爾蒙和免疫因子。缺陷性囊泡運輸發生於許多疾病中，包括大量神經性和免疫性疾病，以及糖尿病。若是沒有這一奇妙的精確組織，細胞將會墮入混亂的深淵。（科學網 張笑 梅進/譯）