細胞貨物如何轉(zhuǎn)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(chǎn)生的分子，如激素，神經(jīng)遞質(zhì)，細胞因子和酶等，有些要被傳遞到細胞內(nèi)的其他地方，有些要被轉(zhuǎn)運出細胞——所有細胞貨物都要在正確的時刻被轉(zhuǎn)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(jīng)激活過程中神經(jīng)遞質(zhì)的釋放、代謝調(diào)節(jié)過程中激素的釋放都涉及這種轉(zhuǎn)運，囊泡轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)運系統(tǒng)遺傳基礎(chǔ)。通過基因篩選，他發(fā)現(xiàn)了細胞轉(zhuǎn)運機制有缺陷的酵母細胞，這種酵母的細胞貨物轉(zhuǎn)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?qū)е铝诉@種“擁堵”，于是致力于鑒別與此相關(guān)的突變基因。謝克曼鑒定了能控制細胞轉(zhuǎn)運系統(tǒng)不同方面的三類基因，從而為介導囊泡轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的嚴格調(diào)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(zhuǎn)運系統(tǒng)的本質(zhì)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(zhuǎn)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(jié)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(jié)合。囊泡結(jié)合細胞外膜釋放細胞貨物的原理與在細胞內(nèi)進行轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)運機制的關(guān)鍵部件。

時間就是一切

托馬斯·聚德霍夫則對大腦中神經(jīng)細胞間如何建立溝通很感興趣。囊泡通過與神經(jīng)細胞外膜融合將神經(jīng)遞質(zhì)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(jīng)細胞發(fā)送神經(jīng)信號時才能將包含的神經(jīng)遞質(zhì)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(jīng)細胞中的鈣離子敏感蛋白。他隨后揭示了對鈣離子內(nèi)流進行應答、并促使相鄰蛋白質(zhì)迅速將囊泡結(jié)合到神經(jīng)細胞外膜的分子機制——拉鏈被打開、信號物質(zhì)被釋放。聚德霍夫的發(fā)現(xiàn)解釋了囊泡轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運洞察疾病進程