囊泡運輸調控機制

囊泡運輸調控機制，是指某些分子與物質不能直接穿過細胞膜，而是依賴圍繞在細胞膜周圍的囊泡進行傳遞運輸。囊泡通過與目標細胞膜融合，在神經細胞指令下可精確控制荷爾蒙、生物酶、神經遞質等分子傳遞的恰當時間與位置。囊泡運輸研究領域先後於1974年、1985年、1999年和2013年收穫諾貝爾生理或醫學獎。

基本介紹

• 中文名：囊泡運輸調控機制
• 外文名：無
• 分類：多種分類
• 基本簡介：見正文

基本簡介

所謂囊泡運輸調控機制，是指某些分子與物質不能直接穿過細胞膜，而是依賴圍繞在細胞膜周圍的囊泡進行傳遞運輸。囊泡通過與目標細胞膜融合，在神經細胞指令下可精確控制荷爾蒙、生物酶、神經遞質等分子傳遞的恰當時間與位置。例如，對控制血糖具有重要作用的胰島素，正是藉由囊泡進行精確傳遞並最終釋放在血液中。[1]

生物載體

生物膜構成了細胞及細胞器之間的天然屏障，使得一些重要的生命活動能在相對獨立的空間內進行，由此產生了細胞之間、細胞器之間的物質、能量和信息交換的過程。細胞內的膜性細胞器之間的物質運輸(如蛋白質、脂類)，主要是通過囊泡完成的。

囊泡

囊泡是由單層膜所包裹的膜性結構，從幾十納米到數百納米不等，主要司職細胞內不同膜性細胞器之間的物質運輸，稱之為囊泡運輸。

分類

細胞內的囊泡有很多種，按結構特徵，可以分為包被囊泡和無包被囊泡兩類；按生理功能，可分為轉運囊泡、儲存囊泡、分泌囊泡等。

通過囊泡運輸的物質主要有兩類：

一、囊泡膜上的膜蛋白和脂類等，參與細胞器的組成與特定的細胞功能(如細胞代謝和信號轉導等)；

二、囊泡所包裹的內含物，如神經遞質、激素、各種酶和細胞因子等，這些物質可參與蛋白質或脂類的降解或剪下功能等，或者分泌到細胞外，調節自身或其它細胞的功能。

工作方式

囊泡運輸既是生命活動的基本過程，又是一個極其複雜的動態過程，在高等真核生物中尤其如此，涉及到許多種類的蛋白質和調控因子。

囊泡運輸一般包括出芽、錨定和融合等過程，需要貨物分子、運輸複合體、動力蛋白和微管等的參與以及多種分子的調節。細胞內的囊泡運輸系統，就好比一個城市的交通運輸系統，各種具有動力(即動力蛋白)的不同車輛(即運輸複合體)裝載著所運輸的不同貨物(即囊泡上的貨物分子)，按照指定的行駛路線(即微管)抵達目的地後，完成貨物的卸載。一個城市的良好交通運輸狀況，需要精細的交通控制(即調節分子)。如果控制得不好，某些地方就會出現交通擁堵，嚴重時整個城市的交通都會癱瘓。當類似情況出現在我們的細胞內時，這些細胞就無法實現正常功能，甚至會因而死亡。

囊泡運輸是所有細胞都具有的物質運輸方式，神經細胞在囊泡運輸研究中最具代表性，主要是因為神經細胞記憶體在著一種特殊類型的囊泡(突觸囊泡)，它參與了神經遞質的釋放。

未解之謎

現有的研究表明，細胞內可能存在精確調控貨物分選與運送的一套指令，由貨物分子、運輸複合體、動力蛋白、運輸軌道及相關調節因子共同組成，稱之為“運輸密碼”。解碼這套指令，對於理解細胞功能和生命活力至關重要。這有賴於多學科交叉(如物理、化學、生物等)和新技術發展(如新一代顯微成像技術)，以實現對細胞內的囊泡運輸過程的實時和長時程監控。

在傳統細胞生物學中，對各種細胞器的描述往往以靜態結構為主。隨著近年來活細胞成像、超高分辨顯微成像等技術的發展，人們對細胞器的認識已上升到動態的層面，即各種類型的細胞器雖然分別局限在特定分區內完成細胞的某些生理功能，但細胞器之間也在發生不斷的物質交換，以保障細胞器的穩態和發揮其正常功能。由此，細胞生物學家所面臨的基本科學問題就是：細胞內經囊泡運輸的成千上萬種貨物，究竟是是怎樣被標記和識別，再精確地運送到特定的地點並卸載的呢？(也即囊泡運輸過程是如何被精細地調控而有條不紊地進行的)。另外，一旦這個運輸過程發生紊亂，對細胞又將產生什麼樣的後果？

科學意義

對細胞內囊泡運輸機制的闡明，是理解細胞功能的基礎。這項發現將促使人們更加以動態的觀點去認識細胞及其功能。“生命在於運動”，沒有囊泡運輸，就沒有細胞的活力，也就沒有生命力。一個城市如果缺乏交通運輸系統，就是一座死城；一個細胞如果缺乏囊泡運輸系統，也只不過是一個“死”細胞了，這就是我們通常在圖片上看到的靜態細胞。科學家在已經解碼DNA密碼的基礎上，發展出蛋白質組學、表觀遺傳組學等技術手段，對於基因組所編碼的全套蛋白質的功能及其相互作用和調控規律有了更進一步的認識，從而構築了蛋白質的工作網路。在此基礎上，需要在細胞的動態變化這一更高的層面上來解析它們的工作方式，重點是解讀囊泡運輸的密碼，這樣才能更好地理解生命力的本質。此外，對於細胞內如此精密的交通運輸控制機制的認識，是否對於我們現實生活中的城市交通運輸管理也會產生有益的啟示呢？

囊泡運輸參與細胞多項重要的生命活動，如神經遞質的釋放及信息傳遞、激素分泌、天然免疫等，其運輸障礙會導致多種細胞器發生缺陷和細胞功能紊亂，並與許多重大疾病(如神經退行性疾病、精神分裂症、糖尿病等代謝性疾病、感染與免疫缺陷、腫瘤等的發生髮展)密切相關。研究細胞的囊泡運輸，不僅會對細胞生物學的基礎理論研究產生積極的推進作用，也將揭示一些影響人類健康的重大疾病機理，為其治療提供新的策略或靶點，對人類健康產生重要和積極的影響。

諾獎大戶

“囊泡運輸”研究領域已經收穫了4次諾貝爾生理或醫學獎(1974年、1985年、1999年和2013年，每隔10來年就獲獎一次)，但目前人們對細胞內複雜而精細的交通運輸系統的認識，仍然是初步的和框架性的，關於囊泡運輸的更精細的調控機制，尚有待於進一步闡明。生物學家所面臨的一個基本命題，仍然是細胞內高負荷的物質運輸，如何保證其有條不紊、忙而不亂。其中，對於所運送貨物的精確識別、定向運輸以及目的地卸載，是囊泡運輸的關鍵環節。

囊泡運輸引起科學家的關注，主要開始於20世紀60年代，喬治·帕拉德(George Palade)等發現，細胞分泌的蛋白需要先進入內質網，再到高爾基體，然後分泌到胞外。這個細胞分泌途徑的重大發現，使他獲得了1974年諾貝爾生理學或醫學獎。儘管如此，這個分泌途徑的細節並不清楚。1975年甘特爾·布洛貝爾(Gunter Blobel)進一步提出了分泌蛋白進入內質網的信號肽學說，並因此獲得了1999年諾貝爾生理學或醫學獎。

2013年10月7日，諾貝爾生理學或醫學獎揭曉，該獎授予了發現了細胞囊泡運輸調控機制的三位科學家，分別是美國耶魯大學細胞生物學系主任詹姆斯·羅斯曼(James E. Rothman)、美國加州大學伯克利分校分子與細胞生物學系教授蘭迪·謝克曼(Randy W. Schekman)以及美國史丹福大學分子與細胞生理學教授托馬斯·聚德霍夫(Thomas C. Südhof)。