細(xì)胞里的“物流”機(jī)制

在新陳代謝過程中，細(xì)胞是如何將大量物質(zhì)進(jìn)行分揀、包裝并送貨的，三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者發(fā)現(xiàn)，問題的關(guān)鍵在于囊泡運(yùn)輸系統(tǒng)。

在顯微鏡下，神經(jīng)元看起來就像是紙張被揉皺又?jǐn)傞_后的細(xì)小褶皺，它們之間靠突觸進(jìn)行溝通，而這正是人腦能夠運(yùn)行的基礎(chǔ)。美國斯坦福大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家托馬斯·蘇德霍夫(Thomas Südhof)的研究興趣就是搞清楚神經(jīng)元之間的“通訊”是如何進(jìn)行的。

2013年10月7日，諾貝爾獎(jiǎng)網(wǎng)站把電話打到蘇德霍夫的手機(jī)上時(shí)，他正在西班牙的路上開車，當(dāng)天下午他要到巴埃薩去做一個(gè)學(xué)術(shù)報(bào)告。他起初以為是同行打來電話給他指路，于是就把車開進(jìn)一個(gè)停車場去接電話，沒想到這是來自瑞典的電話。

在此之前，諾貝爾獎(jiǎng)網(wǎng)站的工作人員把電話打到蘇德霍夫家里去，但他不在家。電話響了三遍，他的太太陳路才決定下樓接聽，她還以為是哪個(gè)搞不清時(shí)區(qū)的中國親戚打來的。

瑞典皇家科學(xué)院宣布把2013年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給三名在“細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)輸”研究上做出突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家——美國的詹姆斯·羅斯曼(James Rothman)和蘭迪·舒克曼(Randy Schekman)，及出生于德國的托馬斯·蘇德霍夫(Thomas Südhof) 。

蘇德霍夫雖然沒有與其他兩位一起工作過，但他們?nèi)斯餐鉀Q了生物學(xué)的一個(gè)重大問題，即“細(xì)胞如何在新陳代謝過程中將大量物質(zhì)進(jìn)行分揀、包裝并在正確的時(shí)間送到正確的地點(diǎn)”。這三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者已經(jīng)向人們展示，問題的關(guān)鍵在于細(xì)胞內(nèi)存在的囊泡運(yùn)輸系統(tǒng)。

身體里的物流網(wǎng)絡(luò)

與現(xiàn)代社會(huì)發(fā)達(dá)的物流網(wǎng)絡(luò)可以將貨物準(zhǔn)確地送至千家萬戶一樣，細(xì)胞內(nèi)也需要一個(gè)類似的運(yùn)輸系統(tǒng)將細(xì)胞產(chǎn)生的分子，如激素、神經(jīng)遞質(zhì)和細(xì)胞因子等運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)的其他地方或轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞。

早在40年前，著名細(xì)胞生物學(xué)家、諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主喬治·帕拉德（George Palade）就在電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。他發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)存在一種膜包裹形成的微型小泡也就是囊泡。這些囊泡能夠帶著細(xì)胞貨物穿梭于各細(xì)胞器間，或是與細(xì)胞膜融合將貨物釋放到細(xì)胞外去。囊泡的存在能夠有效地防止不同類型、不同去處的細(xì)胞貨物混雜在一起。

該發(fā)現(xiàn)很快被大多數(shù)科學(xué)家所接受，然而隨之而來的是一個(gè)更復(fù)雜的問題，即“這些囊泡如何知道何時(shí)在哪里交付貨物”。

1976年，美國加州大學(xué)伯克利分校的舒克曼建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，開始采用一種不同尋常的方法探究這一問題。以酵母為模式動(dòng)物，試圖研究細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸系統(tǒng)的機(jī)制。那個(gè)時(shí)候，一些同行認(rèn)為他這個(gè)研究是一個(gè)“愚蠢的決定”。

通過基因篩選，他發(fā)現(xiàn)一株運(yùn)輸系統(tǒng)有缺陷的酵母細(xì)胞，這種細(xì)胞中的囊泡堆積在細(xì)胞內(nèi)的某些部位，好像物流網(wǎng)絡(luò)癱瘓?jiān)斐韶浳锒逊e一樣。他發(fā)現(xiàn)某些遺傳基因的突變造成了該酵母細(xì)胞的缺陷。

以這些基因?yàn)橥黄瓶?，又?jīng)過10年的研究，舒克曼鑒定出了三類在不同階段調(diào)控囊泡運(yùn)輸?shù)幕?，從而為物質(zhì)運(yùn)輸系統(tǒng)的機(jī)制提供了一套新的見解。

最早的時(shí)候，舒克曼在酵母上的研究不但被一些人認(rèn)為是愚蠢的，而且還是常常不被看好的基礎(chǔ)研究。不過，他的研究后來被證明極具價(jià)值。在1980年代和1990年代，許多藥物的研發(fā)得益于他對酵母的研究。直到今天，全世界三分之一的胰島素也都是從酵母中來的。

與舒克曼同一時(shí)期，當(dāng)時(shí)還在斯坦福大學(xué)的羅斯曼也建立了自己的實(shí)驗(yàn)室，他利用哺乳動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)了一種影響細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)輸?shù)牡鞍?，而編碼該蛋白的基因與舒克曼在酵母中發(fā)現(xiàn)的突變基因相對應(yīng)，這意味著囊泡運(yùn)輸系統(tǒng)有著共同的演化起源。

除此以外，羅斯曼還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)蛋白復(fù)合物，它能使囊泡與目的地的膜系統(tǒng)進(jìn)行對接和融合。為了確保貨物被交付到精確的位置，它們只會(huì)以特異性的方式進(jìn)行結(jié)合。該發(fā)現(xiàn)闡明了囊泡如何轉(zhuǎn)運(yùn)至目標(biāo)的機(jī)制。

這些發(fā)現(xiàn)早就讓舒克曼和羅斯曼成為諾獎(jiǎng)的熱門人物。在2002年，他們獲得了美國的拉斯克獎(jiǎng)。有很多這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)的獲得者隨后還會(huì)獲得諾貝爾獎(jiǎng)，因而它常常被當(dāng)成某種“指針”。這兩位生物學(xué)家也不例外，他們在內(nèi)心當(dāng)中都期待著能在某一年的10月份接到來自斯德哥爾摩的電話。

在一份新聞材料中，加州大學(xué)伯克利分校描述稱，每一年，在那個(gè)令人期待的早晨來了又去、唯獨(dú)沒有瑞典電話的時(shí)候，舒克曼和羅斯曼就會(huì)互通電話。舒克曼會(huì)借用電影中的說法，把這一天稱為“土撥鼠日”。在電影《土撥鼠日》中，主人公每天都會(huì)重復(fù)相同的故事。

這樣的日子重復(fù)了十年。2013年10月6日晚上，舒克曼從德國領(lǐng)了一個(gè)獎(jiǎng)回到家，那是德國在生物化學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)之一。躺下沒幾個(gè)小時(shí)，他就聽見太太抱著電話對他喊：“來電話了！來電話了！”這一年，瑞典終于來電話了。“我的天哪。”舒克曼說這是他的第一反應(yīng)，“我的第二反應(yīng)也是這個(gè)。”