備課素材：囊泡及其運輸調控機制 第一學期高中生物學必修一

囊泡及其運輸調控機制2019版高中生物學必修一介紹了囊泡:細胞分成很多不同的工作區(qū)域，區(qū)域之間靠囊泡溝通:那么,“囊泡”是什么？它們的運輸調控機制究竟怎樣？2013年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予美國科學家詹姆斯-E.羅斯曼和蘭迪-W.謝克曼、德國科學家托馬斯-C.蘇德霍夫，以表彰他們發(fā)現(xiàn)細胞內部囊泡運輸調控機制“指揮交通”。蘭迪·謝克曼發(fā)現(xiàn)了控制囊泡運輸的蛋白質是哪些基因表達的。囊泡運輸的過程是否正常，與這組基因是否正常表達有直接關系

“收信地址”

詹姆斯·羅斯曼發(fā)現(xiàn)一種蛋白質化合物，可以讓囊泡實現(xiàn)與目標細胞膜的準確結合

“送貨時間”

托馬斯·祖德霍夫探索細胞內囊泡在指令來了以后如何準確、有效地釋放內容物

囊泡很忙

細胞里有不計其數形似皮球的囊泡，這些囊泡通過將細胞本身產生的一些分子與物質包裹起來進行傳送，以滿足生命活動

要說囊泡，首先得講講細胞。

“我們每個人身體內大概有1×1014—1×1015個數量級的細胞，這么多細胞活動的總和就是我們生命的表現(xiàn)，包括人的生長、發(fā)育、遺傳、變異、衰老、死亡等?！绷_深秋說，完成這個復雜的生命過程，需要不同細胞的分工合作，“但不管是什么樣的細胞，它們的一些基本活動是一致的，如細胞內部及彼此間的一些物質交換。而在很多時候，這些物質交換就是通過細胞內的囊泡來實現(xiàn)?！?/p>

“囊泡就像一個皮球?！绷_深秋形容，它的“皮”就是所謂的生物膜。在細胞這個繁忙的“工廠”中，不計其數的囊泡通過將細胞本身產生或從外面進來的一些分子與物質包裹起來進行傳送，以滿足生命活動。

“具體來說，這些物質的傳遞有兩個方向，一個是細胞內，一個是細胞外。有些分子與物質往往不能直接穿過細胞膜傳遞到細胞外的，而需要通過囊泡與細胞膜的融合來進行細胞外傳遞?！绷_深秋說。

可見，囊泡很忙，需要日夜穿梭。但如果傳輸雜亂無章，必然會讓細胞陷入紊亂的狀況，那是誰來“指揮交通”？

作為本屆諾獎獲得者之一，科學家蘭迪·謝克曼（RandyShekman）找到了答案?！澳遗葸\輸調節(jié)通常是由蛋白質實現(xiàn)的，而蛋白質又是通過基因的表達活動實現(xiàn)，謝克曼發(fā)現(xiàn)的就是控制囊泡運輸的這些蛋白質是哪些基因表達的，因此，囊泡運輸的過程是否正常，與這組基因是否正常表達就有直接關系?！绷_深秋解釋。

“指揮交通”的有了，那“收信地址”在哪里？

另一位獲獎者詹姆斯·羅斯曼（JamesRothman）給出了這個問題的答案。他發(fā)現(xiàn)的一種蛋白質化合物，可以讓囊泡實現(xiàn)與目標細胞膜的準確結合?！斑@就是一個‘接頭’的過程?！绷_深秋解釋說，“囊泡膜自身就含有一定的膜蛋白和脂類物質，羅斯曼發(fā)現(xiàn)，需要‘接頭’的兩者，即囊泡與目標細胞的膜上含有高度特異性的蛋白復合物，他們兩邊的結構，就像拉鏈一樣，兩邊完全錯開，但卻正好能因此緊密吻合?！蹦遗菽づc目標細胞膜上特定的蛋白質發(fā)生結合，囊泡便找到了自己的“送貨地址”。

在傳輸過程中還有很關鍵的一步，即“送貨時間”。

“一個東西什么時候送，是需要指令的，此外，不同的指令，代表著該送不同的物質，比如說A指令來了之后是送胰島素，B指令來了之后是送生長因子。因為，囊泡里的物質在傳遞時要按需傳遞，什么時候需要了才會釋放出去?！绷_深秋表示，第三位獲獎者托馬斯·祖德霍夫（ThomasSudhof）研究的重點是探索細胞內囊泡在指令來了以后如何準確、有效地釋放內容物。他認為可能有某種特定物質進入囊泡后，能與之發(fā)生反應，觸發(fā)兩膜的融合，即將之前已經結合的“拉鏈”打開，促使它所攜帶的物質釋放出去。

早在20多年前，細胞囊泡的運輸形式就已被發(fā)現(xiàn)，但其調控運輸機制一直不明，此次獲獎的三位科學家，恰恰解答了細胞中囊泡內的物質是如何被運輸、如何保證在準確的時間送往目的地、如何在細胞內部以及在細胞之間有條不紊地運行等“機制”方面的問題。

囊泡壞了？

囊泡運輸發(fā)生障礙會導致細胞甚至整個人體出現(xiàn)很多功能障礙，這意味著若它們出問題，我們的小命也可能不保了

囊泡會不會累壞？不小心“違反交通規(guī)則”會出什么問題？

“囊泡運輸發(fā)生障礙會導致細胞甚至整個人體出現(xiàn)很多功能障礙?！痹诹_深秋看來，囊泡運輸是生命活動中非?；A而重要的一種存在形式，一旦出問題，我們的生命都可能受到威脅。

比如糖尿病，就是囊泡運輸機制突然“短路”的體現(xiàn)。

“目前臨床上的糖尿病大概分為兩類，型糖尿病和型糖尿病?！绷_深秋解釋，“型糖尿病就是一種典型的囊泡運輸問題導致的疾病，因囊泡運輸有障礙，胰島素生成之后無法正常傳遞到細胞外的血液中。胰島素是能促進全身組織對葡萄糖進行攝取和利用的激素，它能抑制糖原的分解和糖原異生，起到降低血糖的作用，如果它出不去，血糖必然就會升高?！?/p>

又好比老年癡呆，其發(fā)病也與囊泡運輸障礙有關?！凹毎刻於紩铣珊芏嗟鞍踪|，而在細胞內部也存在一個檢查、監(jiān)控機制，如果生產的蛋白質不‘合格’，那是要被‘退貨’的?！绷_深秋解釋，如被退回來的蛋白質無法及時以囊泡形式運走，就會堆積在神經細胞里成為細胞的沉淀物，同時擠占了細胞內細胞器原有的工作空間，讓它們無法干活。這樣，神經細胞的功能發(fā)生紊亂，時間長了也就容易出現(xiàn)老年癡呆的癥狀。

因缺乏抗體導致抵抗力低下的情況也是一樣。由細胞合成的蛋白質抗體，在經過細胞的“包裝加工”之后再被輸送到細胞外，這個過程同樣也是通過囊泡運輸形式實現(xiàn)的。如果囊泡的運輸出了問題，抗體無法從生產它的細胞內輸送出來，無疑，人就缺少了抗體，抵抗力也會很差。

正因如此，評獎結果揭曉后，瑞典卡羅琳的臨床兒科腫瘤學教授亨特不吝贊美：“這些美麗的發(fā)現(xiàn)，對了解人體很重要，對了解神經系統(tǒng)、糖尿病和免疫系統(tǒng)失調等不同器官的疾病，也很重要?！?/p>

囊泡在細胞生物學中指一類體積相對較小的細胞內囊狀構造，這些囊泡外圍由至少一層的脂質雙層分子膜構成，用來存放、消化或傳送物質，如細胞產物或廢物。它就像一個皮球，它的“皮”是生物膜。在細胞這個繁忙的“工廠”中，不計其數的囊泡通過將細胞本身產生或從外面進來的一些分子與物質包裹起來進行傳送，以滿足生命活動。每個細胞都是一個生產和出口分子的工廠：胰島素被合成并釋放到血液中、神經遞質從一個神經細胞發(fā)送到另一個。這些分子被包裝在“囊泡”中，再運輸到周圍的細胞。這三名諾貝爾獎得主發(fā)現(xiàn)了這種運輸系統(tǒng)背后的分子機制，揭示了這些細胞貨物如何在正確的時間被運送到正確的細胞靶點。蘭迪·謝克曼發(fā)現(xiàn)了一系列囊泡運輸所需的基因；詹姆斯·羅斯曼闡明了允許囊泡與目標進行融合、使分子得以轉運的蛋白質機制。托馬斯·聚德霍夫則揭示了指導囊泡精確釋放貨物的信號機制。鑒于以上發(fā)現(xiàn)，羅斯曼、謝克曼和聚德霍夫揭示了控制細胞貨物進行精確轉運分子機制。如果轉運系統(tǒng)受到干擾，則會對有機體產生有害影響，并導致如神經系統(tǒng)疾病，糖尿病，免疫疾病等病癥。細胞貨物如何轉運？在繁忙的大港口，為了確保正確的貨物在合適的時間被運送到正確的目的地，需要動用多個系統(tǒng)。同理，有著多個不同的細胞器的細胞也面臨著類似的問題：細胞產生的分子，如激素，神經遞質，細胞因子和酶等，有些要被傳遞到細胞內的其他地方，有些要被轉運出細胞——所有細胞貨物都要在正確的時刻被轉運到正確的地點。

囊泡（Vesicles）是由膜包裹的微型小泡，能夠帶著細胞貨物穿梭于細胞器間，也能夠與細胞膜融合，將貨物釋放到細胞外部。由于神經激活過程中神經遞質的釋放、代謝調節(jié)過程中激素的釋放都涉及這種轉運，囊泡轉運系統(tǒng)是非常重要的。那么，這些囊泡怎么知道何時在哪里交付貨物？從“堵車”現(xiàn)象中揭秘遺傳控制

蘭迪·謝克曼為細胞如何組織其轉運系統(tǒng)而深深著迷。在20世紀70年代，他決定利用酵母作為模式生物，研究這種轉運系統(tǒng)遺傳基礎。通過基因篩選，他發(fā)現(xiàn)了細胞轉運機制有缺陷的酵母細胞，這種酵母的細胞貨物轉運情況就好像安排不周的公共交通系統(tǒng)一樣：囊泡堆積在細胞的某些部位。他發(fā)現(xiàn)，是遺傳原因導致了這種“擁堵”，于是致力于鑒別與此相關的突變基因。謝克曼鑒定了能控制細胞轉運系統(tǒng)不同方面的三類基因，從而為介導囊泡轉運系統(tǒng)的嚴格調控機制提供了新的見解。精確對接詹姆斯·羅斯曼也對細胞轉運系統(tǒng)的本質深感好奇。他在20世紀80年代和90年代利用哺乳動物細胞研究囊泡轉運系統(tǒng)。羅斯曼發(fā)現(xiàn)一個蛋白復合物能使囊泡與他們的目標膜進行對接和融合。在融合過程中，囊泡和目標膜上的蛋白以類似拉鏈的方式結合。事實上，這樣的蛋白有很多，為了確保貨物被交付到一個精確的位置，它們只會以特異性的方式進行結合。囊泡結合細胞外膜釋放細胞貨物的原理與在細胞內進行轉運的原理是相同的。原來，謝克曼鑒別的那些酵母基因中，有一部分基因的蛋白產物是與羅斯曼在在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)的蛋白相對應的，這揭示了細胞轉運系統(tǒng)古老的演化起源?？偟膩碚f，他們揭示了細胞貨物轉運機制的關鍵部件。時間就是一切托馬斯·聚德霍夫則對大腦中神經細胞間如何建立溝通很感興趣。囊泡通過與神經細胞外膜融合將神經遞質釋放到胞外。這一過程中起作用的正是羅斯曼和謝克曼發(fā)現(xiàn)的機制。然而，這些囊泡只有在需要向相鄰的神經細胞發(fā)送神經信號時才能將包含的神經遞質放出，怎么對這個過程進行精確控制？鈣離子參與了這一過程。在20世紀90年代，聚德霍夫致力于搜索神經細胞中的鈣離子敏感蛋白。他隨后揭示了對鈣離子內流進行應答、并促使相鄰蛋白質迅速將囊泡結合到神經細胞外膜的分子機制——拉鏈被打開、信號物質被釋放。聚德霍夫的發(fā)現(xiàn)解釋了囊泡轉運的時間精度是如何實現(xiàn)的，并闡釋了和囊泡中貨物的釋放可以通過信號加以控制。從囊泡轉運洞察疾病進程三名諾貝爾獎得