2013年诺贝尔生理学或医学奖解读

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1、2013年诺贝尔生理学或医学奖解读2013年10月7日，瑞典皇家科学院将本年度的诺贝尔生理学或医学奖授予了三位美国生物学家：耶鲁大学的JamesE.Rothman,加州大学伯克利分校的RandyW.Schekman,和斯坦福大学的ThomasC.Stidhofo他们的获奖理由是，在“细胞内囊泡运输的调节机制”领域做出了开创性的杰出贡献。对于非微观生物学的人士来说，“囊泡”是一个未知的、抽象的概念，但是其实“囊泡”和我们每个人的饮食、健康都是息息相关的。本文将从科普的角度给大家解读本次诺贝尔奖的工作，以及探讨对我们的启示。1.“囊泡”是什么？生命体是由细胞组成的，而生物膜构成了细胞之间以及细胞内

2、的各细胞器之间的屏障，从而使一些重要的生命活动能在一个个相对独立的区间内进行（图1）。这些独立区间的出现体现了生物进化的选择，但同时也产生了细胞内各细胞器之间、细胞与细胞之间的信号、物质和能量交换的需求。细胞内外物质交换主要是通过膜包裹的囊泡转运系统完成的。细胞内的大分子物质和一部分小分子物质往往包裹在囊泡膜内（如激素、神经肽类物质等）或位于囊泡膜上（如受体蛋白、离子通道蛋白等），借助囊泡的运输和与细胞膜的融合实现细胞内或跨膜转运。囊泡的转运系统相当于细胞内的物流系统，具有重要的生理和病理意义，例如：突触小泡在钙离子的刺激下释放神经递质传递神经信息；致密核心大囊泡储存内分泌激素，并通过将激素释

3、放到血液循环中实现体内的激素调控；免疫细胞内的免疫因子、细胞因子等也是存在于大囊泡中，在免疫应答与防卫中起重要作用；细胞膜上的重要功能蛋白如受体、离子通道、转运体等也是通过囊泡胞吐或胞吞实现上膜或下膜，对于细胞信号转导的调节具有重要意义；近年来发现，神经元的生长也需要一类囊泡的参与，该囊泡与细胞膜的不断融合为神经突起的生长提供脂膜的支撑；另外，病毒侵入细胞实际上也是一个膜转运和膜融合的过程。由此可见，细胞内囊泡转运和融合是一个受着精细调控的生物学过程，而且也是一个具有重要生理意义的基本生命活动，与一些常见的复杂性疾病密切相关，女X2型糖尿病的发病机制中，胰岛素抵抗和胰岛素分泌不足是最主要的原因

4、，其中涉及胰腺beta细胞中分泌胰岛素的致密核心囊泡和胰岛素的靶器官中响应胰岛素刺激的葡糖糖转运体4（GLUT4）囊泡。2.三位诺贝奖获得者在此领域中的开创性贡献2013年获得诺贝尔医学或生理学奖的三位科学家在细胞内的囊泡运输领域都做出了开创性的杰出贡献，他们利用不同的技术手段（体内遗传学筛选或体外重组等），在不同细胞体系中（酵母细胞或哺乳动物细胞等）发现了囊泡转运过程中的关键调控蛋白，并揭示了囊泡转运是如何被精细调控的分子机制。JamesE.Rothman最重要的贡献在于他发现了在囊泡锚定和融合过程中起决定性作用的蛋白质复合物一一SNARE蛋白复合体，即囊泡与细胞膜的融合过程需要细胞膜上的t

5、-SNARE蛋白与囊泡上的v-SNARE蛋白识别并相互作用，这也揭示了囊泡融合所需要的最小结构单元。RandyW.Schekman以酵母为模式生物，通过遗传学筛选发现了一系列参与细胞内囊泡转运的调控基因，即Sec家族基因。这些调控基因可以被分为三大类，分别调控细胞内囊泡转运过程的不同步骤，包括囊泡在高尔基体上的转运，囊泡在内质网和高尔基体之间的转运，以及囊泡到细胞膜上的转运。ThomasC.SUdhof发现了触发突触囊泡融合的钙敏蛋白synaptotagmin,并揭示了钙离子如何在正确的时间和正确的地点调节神经元中神经递质的释放。此外，他还发现了一系列与SNARE蛋白相互作用的分子，包括MUN

6、C18、MUNC13蛋白等，这些蛋白与SNARE复合体相互作用形成一个更大的分子机器，协助SNARE复合体的形成和功能的发挥，但其具体的作用机制仍然不是十分清楚，仍是该领域亟待解决的重要科学问题之一。3•囊泡转运获得诺贝尔奖的科学意义在历史上，“囊泡转运”及其相关研究已获得了四次诺贝尔生理学或医学奖，分别是1970年、1974年、1999年和2013年。早在1970年，SirBernardKatz,UlfvonEulerandJuliusAxelrod三人由于发现了神经末梢中的液体性传递物质及其贮存、释放和抑制机理获得生理学或医学奖。1974年，AlbertClaude,Christiande

7、DuveandGeorgeE.Palade三人因为揭示了细胞的内膜结构和功能组织获得了诺贝尔生理学或医学奖。1999年，GunterBlobel被授予诺贝尔生理学或医学奖以表彰他发现了蛋白质存在内在信号来控制其在细胞内的传递和定位。2013年的生理学或医学奖则是授予了发现细胞内的物流系统“囊泡转运”的三位科学家JamesE.Rothman,RandyW.Schekman和ThomasC.Sudho