囊泡運(yùn)輸，是指某些分子與物質(zhì)不能直接穿過(guò)細(xì)胞膜，而是依賴(lài)圍繞在細(xì)胞膜周?chē)哪遗葸M(jìn)行傳遞運(yùn)輸。囊泡通過(guò)與目標(biāo)細(xì)胞膜融合，在神經(jīng)細(xì)胞指令下可精確控制荷爾蒙、生物酶、神經(jīng)遞質(zhì)等分子傳遞的恰當(dāng)時(shí)間與位置。囊泡運(yùn)輸研究領(lǐng)域先后于1974年、1985年、1999年和2013年收獲諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

囊_囊泡運(yùn)輸 -簡(jiǎn)介

所謂囊泡運(yùn)輸調(diào)控機(jī)制，是指某些分子與物質(zhì)不能直接穿過(guò)細(xì)胞膜，而是依賴(lài)圍繞在細(xì)胞膜周?chē)哪遗葸M(jìn)行傳遞運(yùn)輸。囊泡通過(guò)與目標(biāo)細(xì)胞膜融合，在神經(jīng)細(xì)胞指令下可精確控制荷爾蒙、生物酶、神經(jīng)遞質(zhì)等分子傳遞的恰當(dāng)時(shí)間與位置。例如，對(duì)控制血糖具有重要作用的胰島素，正是借由囊泡進(jìn)行精確傳遞并最終釋放在血液中。

囊_囊泡運(yùn)輸 -載體

生物膜構(gòu)成了細(xì)胞及細(xì)胞器之間的天然屏障，使得一些重要的生命活動(dòng)能在相對(duì)獨(dú)立的空間內(nèi)進(jìn)行，由此產(chǎn)生了細(xì)胞之間、細(xì)胞器之間的物質(zhì)、能量和信息交換的過(guò)程。細(xì)胞內(nèi)的膜性細(xì)胞器之間的物質(zhì)運(yùn)輸(如蛋白質(zhì)、脂類(lèi))，主要是通過(guò)囊泡完成的。

囊泡

囊泡是由單層膜所包裹的膜性結(jié)構(gòu)，從幾十納米到數(shù)百納米不等，主要司職細(xì)胞內(nèi)不同膜性細(xì)胞器之間的物質(zhì)運(yùn)輸，稱(chēng)之為囊泡運(yùn)輸。

分類(lèi)

細(xì)胞內(nèi)的囊泡有很多種，按結(jié)構(gòu)特征，可以分為包被囊泡和無(wú)包被囊泡兩類(lèi)；按生理功能，可分為轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡、儲(chǔ)存囊泡、分泌囊泡等。

通過(guò)囊泡運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)主要有兩類(lèi)：

一、囊泡膜上的膜蛋白和脂類(lèi)等，參與細(xì)胞器的組成與特定的細(xì)胞功能(如細(xì)胞代謝和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等)；

二、囊泡所包裹的內(nèi)含物，如神經(jīng)遞質(zhì)、激素、各種酶和細(xì)胞因子等，這些物質(zhì)可參與蛋白質(zhì)或脂類(lèi)的降解或剪切功能等，或者分泌到細(xì)胞外，調(diào)節(jié)自身或其它細(xì)胞的功能。

囊_囊泡運(yùn)輸 -工作方式

囊泡運(yùn)輸既是生命活動(dòng)的基本過(guò)程，又是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在高等真核生物中尤其如此，涉及到許多種類(lèi)的蛋白質(zhì)和調(diào)控因子。

囊泡運(yùn)輸一般包括出芽、錨定和融合等過(guò)程，需要貨物分子、運(yùn)輸復(fù)合體、動(dòng)力蛋白和微管等的參與以及多種分子的調(diào)節(jié)。細(xì)胞內(nèi)的囊泡運(yùn)輸系統(tǒng)，就好比一個(gè)城市的交通運(yùn)輸系統(tǒng)，各種具有動(dòng)力(即動(dòng)力蛋白)的不同車(chē)輛(即運(yùn)輸復(fù)合體)裝載著所運(yùn)輸?shù)牟煌浳?即囊泡上的貨物分子)，按照指定的行駛路線(即微管)抵達(dá)目的地后，完成貨物的卸載。一個(gè)城市的良好交通運(yùn)輸狀況，需要精細(xì)的交通控制(即調(diào)節(jié)分子)。如果控制得不好，某些地方就會(huì)出現(xiàn)交通擁堵，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)城市的交通都會(huì)癱瘓。當(dāng)類(lèi)似情況出現(xiàn)在我們的細(xì)胞內(nèi)時(shí)，這些細(xì)胞就無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常功能，甚至?xí)蚨劳觥?/p>

囊泡運(yùn)輸是所有細(xì)胞都具有的物質(zhì)運(yùn)輸方式，神經(jīng)細(xì)胞在囊泡運(yùn)輸研究中最具代表性，主要是因?yàn)樯窠?jīng)細(xì)胞內(nèi)存在著一種特殊類(lèi)型的囊泡(突觸囊泡)，它參與了神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。

囊_囊泡運(yùn)輸 -未解之謎

現(xiàn)有的研究表明，細(xì)胞內(nèi)可能存在精確調(diào)控貨物分選與運(yùn)送的一套指令，由貨物分子、運(yùn)輸復(fù)合體、動(dòng)力蛋白、運(yùn)輸軌道及相關(guān)調(diào)節(jié)因子共同組成，稱(chēng)之為“運(yùn)輸密碼”。解碼這套指令，對(duì)于理解細(xì)胞功能和生命活力至關(guān)重要。這有賴(lài)于多學(xué)科交叉(如物理、化學(xué)、生物等)和新技術(shù)發(fā)展(如新一代顯微成像技術(shù))，以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)的囊泡運(yùn)輸過(guò)程的實(shí)時(shí)和長(zhǎng)時(shí)程監(jiān)控。

在傳統(tǒng)細(xì)胞生物學(xué)中，對(duì)各種細(xì)胞器的描述往往以靜態(tài)結(jié)構(gòu)為主。隨著近年來(lái)活細(xì)胞成像、超高分辨顯微成像等技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)細(xì)胞器的認(rèn)識(shí)已上升到動(dòng)態(tài)的層面，即各種類(lèi)型的細(xì)胞器雖然分別局限在特定分區(qū)內(nèi)完成細(xì)胞的某些生理功能，但細(xì)胞器之間也在發(fā)生不斷的物質(zhì)交換，以保障細(xì)胞器的穩(wěn)態(tài)和發(fā)揮其正常功能。由此，細(xì)胞生物學(xué)家所面臨的基本科學(xué)問(wèn)題就是：細(xì)胞內(nèi)經(jīng)囊泡運(yùn)輸?shù)某汕先f(wàn)種貨物，究竟是是怎樣被標(biāo)記和識(shí)別，再精確地運(yùn)送到特定的地點(diǎn)并卸載的呢？(也即囊泡運(yùn)輸過(guò)程是如何被精細(xì)地調(diào)控而有條不紊地進(jìn)行的)。另外，一旦這個(gè)運(yùn)輸過(guò)程發(fā)生紊亂，對(duì)細(xì)胞又將產(chǎn)生什么樣的后果？

囊_囊泡運(yùn)輸 -意義

對(duì)細(xì)胞內(nèi)囊泡運(yùn)輸機(jī)制的闡明，是理解細(xì)胞功能的基礎(chǔ)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將促使人們更加以動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)去認(rèn)識(shí)細(xì)胞及其功能。“生命在于運(yùn)動(dòng)”，沒(méi)有囊泡運(yùn)輸，就沒(méi)有細(xì)胞的活力，也就沒(méi)有生命力。

一個(gè)城市如果缺乏交通運(yùn)輸系統(tǒng)，就是一座死城；一個(gè)細(xì)胞如果缺乏囊泡運(yùn)輸系統(tǒng)，也只不過(guò)是一個(gè)“死”細(xì)胞了，這就是我們通常在圖片上看到的靜態(tài)細(xì)胞?？茖W(xué)家在已經(jīng)解碼DNA密碼的基礎(chǔ)上，發(fā)展出蛋白質(zhì)組學(xué)、表觀遺傳組學(xué)等技術(shù)手段，對(duì)于基因組所編碼的全套蛋白質(zhì)的功能及其相互作用和調(diào)控規(guī)律有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，從而構(gòu)筑了蛋白質(zhì)的工作網(wǎng)絡(luò)。

在此基礎(chǔ)上，需要在細(xì)胞的動(dòng)態(tài)變化這一更高的層面上來(lái)解析它們的工作方式，重點(diǎn)是解讀囊泡運(yùn)輸?shù)拿艽a，這樣才能更好地理解生命力的本質(zhì)。

囊泡運(yùn)輸參與細(xì)胞多項(xiàng)重要的生命活動(dòng)，如神經(jīng)遞質(zhì)的釋放及信息傳遞、激素分泌、天然免疫等，其運(yùn)輸障礙會(huì)導(dǎo)致多種細(xì)胞器發(fā)生缺陷和細(xì)胞功能紊亂，并與許多重大疾病(如神經(jīng)退行性疾病、精神分裂癥、糖尿病等代謝性疾病、感染與免疫缺陷、腫瘤等的發(fā)生發(fā)展)密切相關(guān)。

研究細(xì)胞的囊泡運(yùn)輸，不僅會(huì)對(duì)細(xì)胞生物學(xué)的基礎(chǔ)理論研究產(chǎn)生積極的推進(jìn)作用，也將揭示一些影響人類(lèi)健康的重大疾病機(jī)理，為其治療提供新的策略或靶點(diǎn)，對(duì)人類(lèi)健康產(chǎn)生重要和積極的影響。

囊_囊泡運(yùn)輸 -盛產(chǎn)諾貝爾獎(jiǎng)

“囊泡運(yùn)輸”研究領(lǐng)域已經(jīng)收獲了4次諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)(1974年、1985年、1999年和2013年，每隔10來(lái)年就獲獎(jiǎng)一次)，但目前人們對(duì)細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜而精細(xì)的交通運(yùn)輸系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，仍然是初步的和框架性的，關(guān)于囊泡運(yùn)輸?shù)母?xì)的調(diào)控機(jī)制，尚有待于進(jìn)一步闡明。生物學(xué)家所面臨的一個(gè)基本命題，仍然是細(xì)胞內(nèi)高負(fù)荷的物質(zhì)運(yùn)輸，如何保證其有條不紊、忙而不亂。其中，對(duì)于所運(yùn)送貨物的精確識(shí)別、定向運(yùn)輸以及目的地卸載，是囊泡運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。

囊泡運(yùn)輸引起科學(xué)家的關(guān)注，主要開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，喬治?帕拉德(GeorgePalade)等發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞分泌的蛋白需要先進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，再到高爾基體，然后分泌到胞外。這個(gè)細(xì)胞分泌途徑的重大發(fā)現(xiàn)，使他獲得了1974年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。盡管如此，這個(gè)分泌途徑的細(xì)節(jié)并不清楚。1975年甘特爾?布洛貝爾(GunterBlobel)進(jìn)一步提出了分泌蛋白進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的信號(hào)肽學(xué)說(shuō)，并因此獲得了1999年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

2013年10月7日，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)揭曉，該獎(jiǎng)授予了發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞囊泡運(yùn)輸調(diào)控機(jī)制的三位科學(xué)家，分別是美國(guó)耶魯大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)系主任詹姆斯?羅斯曼(JamesE.Rothman)、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校分子與細(xì)胞生物學(xué)系教授蘭迪?謝克曼(RandyW.Schekman)以及美國(guó)斯坦福大學(xué)分子與細(xì)胞生理學(xué)教授托馬斯?聚德霍夫(ThomasC.Südhof)。

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