一個細胞就好比一個人類社會。人類社會有多複雜，細胞活動就有多精妙。在日常生活中，我們需要進行有效率的生産生活，就必須有效率地調配生産資料與生活資源——因此，我們需要建立周密有效、安排得當的物流系統。細胞也一樣，基因的表達産物需要定位到不同的地點行使功能：膜蛋白需要奔向自己的靶位點、胰島素需要分泌出細胞外、神經遞質需要擴散到下一個神經細胞……要在正确的時間把正确的細胞貨物運送到正确的目的地，細胞的物質轉運機制之精妙，比無數物流師嘔心瀝血的傑作都更勝一籌。而囊泡運輸（vesicle trafficking），正是這一機制的重要組分。
2013年諾貝爾生理學或醫學獎于10月7日頒布。圖片來源：nobelprize.org昨天，2013年諾貝爾生理學或醫學獎被授予發現囊泡轉運機制的詹姆斯·羅斯曼、蘭迪·謝克曼和托馬斯·聚德霍夫3位科學家。今天，讓我們來看一下，大自然的物流師究竟是如何運籌于帷幄之中，決勝于細胞内外的呢？
細胞中包括蛋白質在内的大多數分子都太大了，以緻于不能直接穿過細胞中的膜結構。于是，這些分子的運輸需要依賴一種叫囊泡的細胞結構——這種有膜包被的小型泡狀結構能夠将待運輸的分子包裹起來，送到目的地去釋放掉。可以想象，這種泡狀的“集裝箱”在運送細胞貨物的過程中是極為重要的裝備。因此，在細胞中，尤其是在細胞質膜、内質網以及高爾基體中，囊泡的形成是持續不斷的。這些“集裝箱”一旦被生産出來就馬上投入使用，帶着它們的貨物奔向細胞内或細胞外的目的地。囊泡之所以能夠完成轉運任務，是因為囊泡的膜與細胞質膜以及細胞内膜系統的組成成分是相似的，能夠通過出芽的方式脫離轉運起點、通過膜融合的方式歸并到轉運終點。
囊泡轉運過程的第一步是膜通過出芽方式形成一個囊泡。囊泡的外表面被蛋白包被。通過改變膜結構的構象，這些蛋白将促使囊泡形成。這些囊泡被分成披網格蛋白小泡、COPI被膜小泡以及COPII被膜小泡三種類型。披網格蛋白小泡穿梭于外側高爾基體和細胞質膜之間，COPI被膜小泡則主要介導蛋白質從高爾基體運回内質網。COPII被膜小泡則介導非選擇性運輸。利用無細胞反應，蘭迪·謝克曼成功分離了COPII複合體，并首次純化了跨細胞器轉運的囊泡。利用一系列研究成果，謝克曼最終發現了囊泡轉運機制。
三類囊泡運輸通路的示意圖，箭頭指示囊泡運輸方向。紅色：COPI被膜小泡；綠色：COPII被膜小泡；深藍色：披網格蛋白小泡；ER：内質網；Golgi：高爾基體；Endosome：内體；Multivesicular body orlysosome：多泡體或溶酶體。圖片來源：nature.com三種囊泡介導不同途徑的運輸，分工井井有條。在“細胞碼頭”中，這些“集裝箱”的吞吐量是驚人的。在培養的成纖維細胞中，光是從細胞質膜上脫離下來的披網格蛋白小泡，每分鐘就大約有2500個之多。然而，光有足夠多的箱子裝載貨物顯然是不夠的。在這種熙熙攘攘的細胞環境下，囊泡轉運系統的運作不但要有條不紊，更要及時高效。為了讓囊泡朝着正确的方向前進，細胞會布置堅固的微絲和微管為囊泡構築“快速運輸通道”。在這些細胞骨架之上，一些特别的分子馬達，如動力蛋白和驅動蛋白會背負着囊泡的一步一步向目的地邁進。分子馬達與裝載特定貨物的囊泡之間是嚴格配對的，一些類型的囊泡甚至可以配備“飛行器”級别的運輸動力。
附着在微管之上的分子馬達示意圖。Dynein：動力蛋白；Kinesin：驅動蛋白；Vesicle：囊泡；Microtubule：微管。圖片來源：learn.genetics.utah.edu有了箱子，也有了車子，剩下的問題，就是将貨物準确地送到目的地了。細胞物流的精髓便在于精确地轉運和投放貨物。要實現這一點，膜融合的過程就不能出現半點差池。囊泡與靶位點膜結構的融合過程包括兩個事件：首先，囊泡必須特異性地識别目标膜。例如運輸溶酶體酶的囊泡就隻能把貨物轉運到溶酶體。其次，囊泡必須與目标膜發生融合，從而釋放内容物。
經過大量研究，科學家們已經建立了一個囊泡膜融合模型。模型中，囊泡與靶位點之間的相互作用由獨特的跨膜蛋白介導。詹姆斯·羅斯曼和同事提出了SNARE假說：他們發現動物細胞融合需要可溶性蛋白NSF以及可溶性NSF附着蛋白SNAP的參與。NSF蛋白和SNAP蛋白能夠介導不同類型的囊泡的膜融合過程，這意味着它們本身沒有特異性。因此，羅斯曼假設，膜融合的特異性是由SNAP受體蛋白，也就是SNARE提供的。按照他的假設，每一種運輸囊泡中都有一個特殊的V-SNARE标志，能夠與目标膜上的T-SNARE相互作用。隻有接觸到相互對應的位點，囊泡和目标膜才會形成穩定的結構進行融合。除了SNARE蛋白之外，膜融合還需要Rab蛋白的參與，在不同的囊泡轉運過程中行使功能的Rab蛋白超過30種。這些蛋白能夠結合GTP并将GTP水解，從而改變自己的構型，幫助囊泡與目标膜結合。
膜融合過程示意圖。膜融合由特定的V-SNARE（位于囊泡上）與T-SNARE（位于目标膜上）蛋白結合介導。Rab蛋白促進V-SNARE/T-SNARE複合體的形成。圖片來源：www.ncbi.nlm.nih.gov由于細胞物流系統的正常運作對細胞乃至有機體的健康實在是至關重要，上述的一系列過程都在嚴格的調控之下進行。而突觸位置的囊泡運輸又可謂是重中之重。托馬斯·聚德霍夫緻力于神經突觸的研究。他發現了一種被稱為突觸結合蛋白的跨膜蛋白，這種蛋白是鈣離子感受器，能夠發動囊泡融合，釋放神經遞質。當受到刺激時，神經細胞内部的鈣離子濃度會增加。一旦囊泡上的突觸結合蛋白與鈣離子結合，囊泡就會通過與SNARE等蛋白的相互作用，按需要快速或緩慢地釋放神經遞質。除了突觸結合蛋白之外，聚德霍夫還發現了一系列SNARE蛋白成員（如SNAP-25），以及包括RIM蛋白和Munc蛋白在内的、協助囊泡釋放神經遞質的蛋白質。這些發現支持并豐富了羅斯曼的SNARE假說，使得囊泡轉運的分子機制越發明朗起來。
神經遞質釋放機制模型局部示意圖。突觸結合蛋白Syt1與鈣離子結合，發動膜融合過程。圖中所示為激活區主要蛋白（RIMs，Munc13s，RIM-BPs）的結構、鈣離子通道以及已完成部分組裝的SNARE複合體（由囊泡相關膜蛋白Synaptobrevin 、SNAP-25、突觸融合蛋白Syntaxin組成）。圖片來源：Thomas C. Südhof et al.2011.Cell向細胞學習如何構建出色的物流管理系統也許離我們的生活有些遠，但從囊泡轉運過程洞察我們的健康狀況，卻是科學家們已經在做的事情。對很大一部分生理過程而言，囊泡轉運系統的正常運作都是至關重要的。在包括一系列神經和免疫學疾病、糖尿病等疾病中，科學家們從患者身上觀察到了的囊泡轉運的缺陷。這些缺陷與這些疾病的具體關系一旦得以闡明，我們或許有可能找到攻克這些疾病的思路。這些未來的可能性，都建立在羅斯曼、謝克曼和聚德霍夫和無數科研人員在囊泡轉運領域的探索之上。細胞能教給我們的事情還有很多很多，而科研人員的每一步探索，都是向生命求教，并向新生命提供知識與希望的過程。對此，我們也許應該心存感激。
參考資料：
- 王金發.《細胞生物學》科學出版社.2003. 387-407.
- O'Connor, C. M. & Adams, J. U. Essentials of Cell Biology. Cambridge, MA: NPG Education, 2010.Unit 3.3
- Geoffrey M. Cooper. The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. Sunderland (MA): Sinauer Associates; 2000.416-420.
- Kaeser PS, Deng L, Wang Y, Dulubova I, Liu X, Rizo J, Südhof TC.RIM proteins tether Ca2+ channels to presynaptic active zones via a direct PDZ-domain interaction.Cell. 2011.144:282-95.
- Sollner T, Whiteheart W, Brunner M, Erdjument-Bromage H, Geromanos S, Tempst P, Rothman JE: SNAP receptor implicated in vesicle targeting and fusion. Nature. 1993. 362:318-324.
- The University of Utah. Directing traffic: how vesicles transport cargo.
有話要說...