細胞的「快遞員」——囊泡
楊先碧
在電子商務高度發達的今天，快遞員在各地的大街小巷中穿梭，把包裹快遞到各家。在我們身體內，也有不少「快遞員」在忙忙碌碌地輸送著各種物質，有的是營養物，有的是垃圾，有的甚至是毒素。其中有一類「快遞員」是專門幫助細胞運輸物質的，這個「快遞員」的名字叫囊泡。囊泡究竟是怎樣運輸物質的呢？三位科學家對此進行了深入研究，他們因此獲得了2013 年生理學或醫學獎。這三位科學家分別是美國生物學家詹姆斯·羅斯曼、蘭迪·謝克曼和德國生物化學家託馬斯·祖德霍夫。
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三類囊泡運輸通路的示意圖，箭頭指示囊泡運輸方向
細胞內的運輸系統
生物體內的細胞也像一個個小小的工廠，它們不但會吸收各種營養物質，而且也會生成人體所需的有益化學物質，同時產生一些廢棄物。血液就像人體內的長途運輸公司，可把細胞產生的一些物質運輸到全身各處。然而，這些物質不能直接從細胞內到達血液中，它們得靠囊泡這個「快遞員」來幫忙運送。這些小小的囊泡十分機動靈活，可以隨意地和細胞膜融合或分離。因此，也可以說囊泡是某些物質進出細胞的「鑰匙」。
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細胞囊泡運輸物質的原理示意圖
囊泡為真核細胞中十分常見的膜泡結構。它不像內質網、高爾基複合體、溶酶體和過氧化物酶體這些細胞器那樣作為一種相對穩定的細胞內固有結構存在，但仍然是細胞內膜系統不可或缺的重要功能結構組分。承擔細胞內物質定向運輸的囊泡類型至少有10 種以上。
囊泡運輸的物質包括胰島素、激素、生物酶、神經遞質等重要的生物大分子。假如囊泡運輸系統發生病變，細胞運輸機制便隨即不能正常運轉，可能導致神經系統病變、糖尿病以及免疫紊亂等嚴重後果。諾貝爾獎評選委員會在聲明中說：「沒有囊泡運輸的精確組織，細胞將陷入混亂狀態。
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圖片中的綠色小球為細胞囊泡
揭示囊泡的秘密
長期以來，囊泡一直被視為細胞運輸系統的關鍵部分，但囊泡是如何到達正確的目的地、與細胞器或細胞膜融合以傳遞分子貨物的，似乎一直很神秘。2013 年諾貝爾生理學或醫學獎的三位獲獎者，正是發現了這些囊泡運輸物質的關鍵秘密：它們會把物質在正確的時間傳遞到正確的地點。
謝克曼發現了囊泡的基因秘密，他發現能控制細胞傳輸系統不同方面的三類基因，從基因層面上為了解細胞中囊泡運輸的嚴格管理機制提供了新線索。早在20 世紀70 年代，謝克曼就對細胞如何組織運輸系統很著迷，他決定用酵母作為模型系統，研究其遺傳基礎。通過研究，他發現由於某些基因的變化，會導致囊泡堆積在細胞的特定部位，造成類似公交擁堵現象，通過逐步定位這些基因，他發現了三類調節囊泡運輸的基因。
謝克曼對於酵母中細胞運輸系統的研究，讓人們深入了解了酵母生產和轉運各種物質的精確機制，他的成果極大地促進了現代生物、製藥工業的發展。20世紀八九十年代，謝克曼的研究成果使生物產業得以利用酵母分泌系統生產和製作醫藥產品和工業酶。如今，全球的糖尿病患者都使用酵母生產的胰島素，世界上絕大部分B肝疫苗也是通過酵母分泌的。
另一位諾貝爾獎得主羅斯曼發現了囊泡與細胞膜結合的秘密，那是一種蛋白質複合物在起作用，它能令囊泡基座與其目標細胞膜融合。在20 世紀70 年代，當羅斯曼開始研究細胞運輸體系時，沒人能確切地明白細胞如何創造並維持如此複雜的信息運輸系統。他決定創造一個無細胞系統，把這個運輸體系中的各個環節在實驗室中重現。可是當時很多科學家覺得根本不可能在細胞外將這些環節獨立出來。
但是他做到了，而且有了許多驚人的發現。他發現一種蛋白複合物能使囊泡與目標膜進行對接、融合。在融合過程中，囊泡和目標膜上的蛋白以拉鏈的方式相結合。「詹姆斯既有嘗試的勇氣，也有成功的技能，」耶魯大學醫學院院長羅伯特·阿爾伯恩表示，「當他開始研究生涯時，許多成功的生物化學家都意識到在無細胞系統中研究分子過程很重要，但沒人想到在無細胞系統中還可以研究囊泡運輸，這種方法徹底改革了這一領域。」
兩位美國科學家的研究給囊泡和細胞膜的融合提供了基本的機制，但囊泡融合如何精確被控制，這個問題依然令人困惑不解。共同分享此次諾獎的祖德霍夫則給出了答案，也就是說，祖德霍夫發現了囊泡「投遞」物質的秘密。20 世紀90 年代，祖德霍夫開始對大腦內神經細胞是如何在相互之間進行溝通感興趣。這種傳遞信息的物質被稱為神經遞質，這種特殊分子正是由囊泡負責運輸至神經細胞的細胞膜上，並能在準確的時機獲得釋放。科學家們此前便已經知道鈣離子參與了這一過程，後來祖德霍夫在神經細胞中找到對鈣離子敏感的蛋白質。他還揭示了這種蛋白質的作用原理：它會對注入的鈣離子做出反應，並控制鄰近的蛋白質迅速讓囊泡與神經細胞的外部細胞膜相結合，然後迅速釋放信號物質。
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研究囊泡的意義
諾貝爾評獎委員會在聲明中寫道，三位獲獎者的這些發現，讓我們可以了解細胞生成的物質如何及時且精確地在細胞內傳遞。從酵母到人，不同的生物體利用相同的機制進行囊泡運輸和融合。就像現實中的快遞員會出錯一樣，囊泡也會因為種種原因出錯，有的「罷工」不運輸物質，有的運輸能力減弱，有的會運錯物質。這些紊亂的囊泡會讓人們生病。
囊泡秘密的破譯幫助研究人員更好地了解了多種疾病，包括帕金森病、腦神經功能障礙和免疫系統紊亂。諾貝爾獎評選委員會秘書長戈蘭·漢松希望，囊泡運輸調控機制的研究能繼續推動藥物研發，治療人體代謝缺陷等疾病。三位科學家的研究可讓人們準確清楚地認識相關疾病的發病機理，並為尋找治療靶點提供了理論支持，從而使人類能夠更好地戰勝疾病成為可能。
舉例來說，這些研究成果將有助於解釋帕金森定向修復再生診療體系對帕金森病的科學治療。腦神經信號因子及腦神經遞質分布一直是腦科研究的核心，細胞的囊泡運輸調控機制更好地解釋了腦內病變的源頭——腦神經元細胞囊泡基因突變。重建系統，修復再生，最終達到腦內環境微平衡是帕金森病治療的關鍵。
在生物工程方面，研究囊泡最重要的應用之一是模擬生物膜。生物膜的主體是由磷脂和蛋白質定向排列組成的封閉雙分子層囊泡結構。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。通過對囊泡的研究，可加深人們對生物膜的認識，也為人們的仿生研究提供了一條新的途徑。
囊泡還有一個重要應用是可以作為藥物的載體。與其它微結構相比，囊泡具有奇特的結構，即存在親水微區和疏水微區，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，囊泡具有雙層膜結構，與生物膜有很好的兼容性，是理想的體內藥物的載體。由於分子進出囊泡需要較長的時間，利用這一特性，近年來，人們還研究如何用囊泡作為緩釋劑，以更好地發揮藥效。
這些年來，隨著納米技術的發展，人們也將囊泡用作模板來製備納米材料。囊泡也可以為一些化學反應及生物化學反應提供適宜的微環境。另外，囊泡在化妝品以及食品工業也有一定的應用。
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2013 年生理學或醫學獎獲獎者簡介
詹姆斯·羅斯曼：美國生物學家，1950年出生於美國麻薩諸塞州。1976年獲得哈佛醫學院博士學位。1978年，他在加州史丹福大學開始從事細胞囊泡的研究。之後在普林斯頓大學、紀念斯隆-凱特琳癌症研究所和哥倫比亞大學工作過。從2008年開始，他在耶魯大學生物學系擔任教授一職。
蘭迪·謝克曼：美國生物學家，1948年出生於美國明尼蘇達州聖保羅。1974年在史丹福大學獲得博士學位。1976年開始，他任職於加利福尼亞大學伯克利分校，目前是該大學分子和細胞生物學系教授，併兼任霍華德·休斯醫學研究所研究員。
託馬斯·祖德霍夫：德國生物化學家，1955年生於德國哥廷根，以研究突觸傳遞知名。目前任美國史丹福大學分子和細胞生理學教授。
名詞解釋：
囊泡：也稱為脂質體，是指某些兩親性分子，如許多天然合成的表面活性劑及不能簡單締合成膠團的磷脂，分散於水中時會自發形成一類具有封閉雙層結構的分子有序組合體。囊泡在分泌蛋白的外排過程中起重要的運輸載體的作用。
神經遞質：在化學突觸傳遞中擔當信使的特定化學物質，簡稱遞質。隨著神經生物學的發展，陸續在神經系統中發現了大量神經活性物質。
內質網：內質網是細胞內的一個精細的膜系統，是交織分布於細胞質中的膜的管道系統。兩膜間是扁平的腔、囊或池。
高爾基複合體：也稱高爾基器。是真核細胞中內膜系統的組成之一。它是由光面膜組成的囊泡系統，由扁平膜囊、大囊泡、小囊泡三個基本成分組成。