高中生物教学论文 细胞囊泡运输的发现者——鲁斯曼(pdf).pdf

生物学通报 2 0 1 0年 第 4 5卷 第 1 1 期 细胞囊泡运输的发现者 鲁斯曼 郭晓 强 冯 志 霞 1解放 军 白求恩 军 医学院生 化教 研室 河北 石家 庄0 5 0 0 8 l 2柯 棣华 医学 院英语 教研 室 河北石 家庄0 5 0 0 8 1 摘 要 细 胞 合 成 的 分 泌蛋 白 需运 输 到 特 定 位 置 才 可发 挥 重要 的 生 物 学 功 能 而 此 过 程 需 要 细胞 囊泡 介 导 完成 合 成 的蛋 白首 先 进 入 细 胞 器 经过 加 工组 装 后 通 过 出 芽方 式 形 成 囊泡 然后运输到特定位置再 和靶膜特异性融合 而实现正确定位 囊泡运输 生化机 制是 由鲁斯曼等 科 学家经过 3 0多年研 究得 以阐明 拓展 了对 生命 问题 理解的 同时还有 望临床 上得到 广泛应 用 关 键 词 鲁 斯 曼 细胞 囊 泡 运 输 融 合 中 国 图书 分 类 号 Q1 0 文 献标 识 码 E 细胞 产 生 的 一些 蛋 白质 不 仅 需 要 正 确 的空 间 结构 而且还需要精 确 的细胞 定位 如分 泌蛋 白 才可以保证生物学功能 的顺利完成 因此细胞 内 蛋 白质 的定 向运 输 就 具 有 十 分 重 要 的 意 义 早 在 2 0世 纪 7 0年 代 科 学 家 就 发 现 蛋 白质 的运 输 需 要 一 种 囊 泡 v e s i c l e 结 构 来 介 导 完 成 但 具 体 机 制不详 2 0世纪 7 0年代末开始 研究人员运用遗 传学 和生物化学等方法逐步解开了蛋 白质囊泡运 输 的分 子 机 制 从 而 拓 展 了人们 对 蛋 白质 运 输 的 理解 其 中最早使用生物化学方法研究囊泡运输 的是 美 国科 学家詹 姆 斯 爱 德华 鲁斯 曼 J a me s Ed wa r d Ro t h ma n 1 生 物化 学 的研 究 1 9 5 0年 鲁 斯 曼 出 生 于美 国马 萨诸 塞 州 的黑弗里 尔市 H a y e r h i l 1 在 十几 岁 时 就 对 理 论 物 理 产 生 了 浓 厚 兴 趣 尽 管 最 后 研 究 了 生命科学 但对物理学 的学 习使 鲁斯 曼 掌 握 了严 谨 的 科 学 分 析 方 法 并 且 能 够 在 实 验 前 先构 思 出解 决 问题 的 最 佳 方 法 方 案 刚 进 入 耶 鲁 学 院 时 鲁 斯 曼 选 择 的 是 物理 学 然 而 到 大 学 3年 级时却 突然喜欢上 了生物学 尤其对膜生物物理 学 兴 趣 最 为 浓 厚 并 且 开 始 关 注 这 方 面 的知 识 1 9 7 1年 鲁 斯 曼 从 耶 鲁 学 院毕 业 并 获 得 物 理 学 学 位 为 了全 面 学 习 生 物 学 他 进 入 到 哈 佛 医 学 院 学 习 尽 管 在 哈 佛 医 学 院 鲁斯 曼 还 学 习 一 些 临 床 知 识 但 他 更 多关 注 的是 基 础 科 学 在 学 习 组 织 学 时 第 1次接触到分泌现象就被其深 深吸引 并对 细 胞如何产生囊泡 囊泡如何 到达 特定位置等问题 充满 了好奇 这些 问题在当时都未解决 充满了巨 大 的挑 战 年轻 的鲁 斯 曼 决 定 从 事 这 方 面 的 研 究 未 来 为 了更 好 的 完 成 自己 的 目标 鲁 斯 曼 跟 随 哈 佛 医 学 院 著 名 细 胞 膜 研 究 方 面 的 大 师 肯 尼 迪 E u g e n e K e n n e d y 进 行博 士 学位 学 习 一方 面 通 过研 究脂双层 的形成过程 掌握生 物膜相关知识 另 一 方 面还 学 会 了用 生 物 化学 语 言来 描述 科 学 问 题 的方 法 从 哈佛 医 学 院获 得 生 物 化 学博 士学 位 后 鲁 斯 曼 又 进 入 麻 省 理 工学 院 著 名 生 物 化 学 家 劳 迪 什 H a r v e y L o d i s h 实 验 室 完 成 了 2年 的博 士 后 研 究 在 这 里 他 学 习 了 用病 毒 和 无 细 胞 体 系 研 究 生 物 学 基 础 问题 的 方 法 1 9 7 8年 鲁 斯 曼 加 入 斯 坦 福 大 学 医学 院 生 物 化 学 系 担任 助理 教 授 职位 鲁斯 曼 之 所 以选 择 这 里 是 受 到著 名 生 物 化学 家 1 9 5 9年 诺 贝尔 生 理 学 与 医 学 奖 获 得 者 科 恩 伯 格 A h u r K o mb e r g 的 影 响 科恩伯格创建了斯坦福大学生物化学系 并担 任系主任 集 中了许多生物化学方面 的优秀的研究 人员 同时还培养 了良好 的科研氛围 鲁斯曼从科 恩 伯 格 那 里 掌 握 了 对 自己将 来 科 研 十 分 重 要 的 2 个 原 则 一是 如何 去 制定 策 略 来 成功 应 用 生物 化 学 方法来解决复杂的生物学问题 二是坚信无论多么 复杂的生物学问题 生物化学最终都可 以成功解决 并提供解释该 问题唯一可靠 的分子机制 2 0世纪 7 O年 代末 鲁 斯曼 决 定用 生物 化 学方 法来 研 究 细 2 0 1 0 年 第 4 5卷 第 1 l 期 生物学通报 6 l 胞 内细 胞 囊 泡 介 导 的蛋 白质 运 输 问题 鲁 斯 曼 多 年 严 格 的生 物 化 学 训 练 斯 坦 福 大 学 医学 院 生 物 化 学 系 雄 厚 的 科 研 条 件 和年 轻 无 畏 的科 学 精 神 是 鲁 斯 曼 最 终 成 功 的关 键 2细 胞 囊 泡 运 输 的研 究 2 0 世纪 7 O年代 随着蛋 白质 翻译机制 的阐明 和大量 细胞 器的发现 科学界对 蛋 白质 的生 物合 成 有 了全 新 的认 识 并 对 分 泌 蛋 白的 合 成 后 运 输 提 出 了细 胞 囊 泡 介 导模 式 尽 管 许 多科 学 家 都 意 识到细胞囊泡运输 的重要 性 但其 中大部分研究 人员都对解决该 问题持 悲观态度 他们认 为该 问 题 过 于 复 杂 用 经 典 生 物 化 学 方 法 根 本 无 法 解 决 但 鲁 斯 曼 却 坚 定 的认 为生 物 化 学 方 法 可 最 终 阐 明 囊泡的运输机制 生 物 化 学 的 经 典 方 法 在 于 首 先 将 细 胞 破 碎 随后分 离囊泡 将 这些囊泡在试管 中孵育 随后 借 助显 微 镜 等 技 术 检 测 囊 泡 的变 化 并 最 终 鉴 定 出 参 与囊泡运输 的相关分子 当时的主流观点认 为 细 胞 破 碎 将 破 坏 囊 泡 的 空 间 位 置 而 这 将 使 囊 泡 运 输 无 法 实 现 完 成 鲁 斯 曼 从 其 他 研 究 者 那 里 获 得 了一 种 细 胞 囊 泡 运 输 缺 陷 的 动 物 细 胞 该 细 胞 分 泌 蛋 白组 装 所 需 要 的一 种 酶 的 基 因 发 生 突 变 因此合成 的分泌蛋 白无法有效 运输而在 细胞器 内 积累 鲁斯曼从这些突变 细胞 中分离得 到积累异 常 分 泌 蛋 白的 细 胞 器 并 将 其 与 正 常 细 胞 的 细 胞 器 混 合 结 果 发 现 未 完 成 组 装 的异 常 分 泌 蛋 白被 正 确 运 输 到 正 常 细 胞 的 细 胞 器 内并 完 成 了 组 装 这 意 味 着 细 胞 囊 泡 在 试 管 中也 可 以 正 确 运 输 空 间位置效应对其没有 影响 这一方 面说明生物化 学 方 法 研 究 囊 泡 运 输 的 可 行 性 另 一 方 面 也 为 深 入 和 全 面 研 究 囊 泡 的运 输 机 制 提 供 了一 个 良好 的 实 验 体 系 利 用 新 创 建 的 无 细 胞 体 系 鲁 斯 曼 和 同 事 鉴 定 出 了 细胞 囊 泡 形 成 该 过 程 被 称 为 出芽 过 程 所 需 要 的 三 大 类 基 本 元 件 1 内 质 网 膜 或 高 尔 基 体 膜 这是 囊 泡形 成 的结 构基 础 2 形 成囊 泡 被膜 所需要 的相关分子 它们保证 了囊 泡突起 的形成 和 分 离 3 一 种 G T P结 合 蛋 白 在 G T P结 合 的 前 提下 启动囊泡形成 鲁斯曼在 分离出囊泡形成元 件 的 同时 还 初 步 阐 明 了囊 泡形 成 的 机 制 但 一 些 科学家对此仍持怀疑态度 他们 认为鲁斯曼 的体 外实 验 可能 无法 反 映 细胞 内囊 泡 运 输 的真 实 情 况 与 此 同时 另 一 位 科 学 家 施 克 曼 f R a n d y S c h e k ma n 应用遗 传学方法 以酵母 为材 料也获得 和鲁 斯 曼 类 似 的结 果 不 同材 料 和 方 法 得 到相 似 的 细 胞 囊泡 形成模 式说 明 了鲁 斯曼结 果 的可靠性 因 此 逐 渐 得 到 科 学 界 的认 可 囊 泡 出芽 机 制 很 好 解 释 了 细 胞 囊 泡 的形 成 过 程 然 而囊 泡 运 输 及 到 达 指 定 位 置 的 分 子 机 制 尚 不清 晰 鲁斯曼研究发 现一 种化合物 N一 乙酰 马 来 酰 亚 胺 N e t h y l m a l e i m i d e N E M 可 阻 断 试 管 系 统 中 的囊 泡 运 输 随 后 纯 化 了 N E M一 敏 感 因 子 N E M s e n s i t i v e f a c t o r N S F 而 N S F发 挥 生 物 学 功 能 时 需 要 与 细 胞 质 内 的 N S F 附 着 蛋 白 f s o l u b l e N S F a t t a c h me n t p r o t e i n S N AP 结合 深入研究还 发 现在囊泡 上存在 着 S N A P的受体 S N AP r e c e p t o r S N A R E 这 一 系 列 发 现 极 大 拓 展 了人 们 对 囊 泡 运 输 的 理 解 鲁 斯 曼 还 发 现 在 囊 泡 v e s i c l e 和 靶 膜 t a r g e t m e m b r a n e 上 都 存 在 自身 的 S N A R E 分别 称 为 v S N A R E和 t S N A R E 只有 当二者互 相识 别 并 特 异 性 结 合 后 方 可 实 现 囊 泡 和靶 膜 的 融 合 这 就 是 鲁 斯 曼 提 出 的 囊 泡 融 合 S N A R E假 说 深 入 研 究 很 好 的证 实 了这 个 假 说 的 正 确 性 囊 泡 融 合 S N A R E理论 很 好 解 释 了细 胞 囊 泡 及 包 含 蛋 白的 定 向运输现象 其基本模式见下 图 许多蛋 白质的合 成都涉及细胞囊泡的运输 固醇调节元件结合蛋 白 s t e r o l r e g u l a t o r y e l e me n t b i n d i n g p r o t e i n S RE BP 是 一 种 转 录 因 子 首 先 在 内质 网合 成 前 体 蛋 白 然 后 被 包 装 运 输 到 高 尔 基 体 再 经 过进 一 步 加 工 后 而 成 熟 进 入 细 胞 核 而 调 节 参 与胆 固 醇 代 谢 相 关 基 因 的表 达 细胞 囊泡 运输 示 意 图 引来 自拉斯 克奖 网站 生物学通报 2 0 1 0年 第 4 5卷 第 1 1 期 深入研究 不仅进一步理解 了囊泡运输相关元 件 的作用 而且 还对其调节机制有 了全面的认识 如机体胆 固醇含量 的相对恒 定对健康具有十分重 要 的作用 更 多或过少都导致机体功能失调 而与 胆 固醇 代 谢 有 关 的 因 子 可受 到胆 固 醇浓 度 的严 格 调 节 通 过 影 响 囊 泡 运 输 过 程 中的 特 定 步 骤 而 减 少 或 增 加 胆 固醇 的 生 物合 成 3研 究 的重 要 意 义 和 科 学 奖 励 细胞囊泡运输机制 的阐明具有 十分重要 的科 学意义和应用价值 它一方面加深了人们对蛋 白质 翻译后详细功能发挥途径的理解 对一些生命现象 有 了新 的认 识 相 关 研究 已与 多个 学 科 如 神经 生 物 学 内分泌学 病毒学 胚胎学 等相融合 从而极大 推 动 了这 些领 域 的 飞速 发展 另 一 方 面 细 胞 囊 泡 运输对一些疾病发病分子机制 的理解 和临床治疗 也 具有 重要 意 义 细 胞囊 泡 相关 元 件 的基 因突 变 可 造 成 一些 遗 传 性疾 病 如 罕见 的颅 面疾 病 c r a n i o f a e i a l d i s o r d e r C L S D 和 家族 性 阿 尔茨 海 默 症 f a m i l i a l A l z h e i m e r S d i s e a s e F A D 等 型糖 尿病 中的 囊 泡 运输 异 常 导致 一 些细 胞 表 面摄 取 葡 萄糖 的蛋 白质无法运输到正确位置 血液中葡萄糖无法有效 利用而升高 脑功能失衡 和心理失调等神经性疾病 的囊泡 运输 也 出现异 常 因此 开发 相 关药 物 通 过调 节 囊 泡运 输 而可 望 实现 相关 疾 病 的治疗 鲁 斯 曼 在 细胞 囊 泡 运 输 方 面 的 奠基 性 贡 献 得 到 了科 学 界 的 公 认 并 获 得 了很 多重 大 的科 学 荣 誉 和奖励 鲁斯曼是美 国科 学院院士 1 9 9 3年 美 国艺术 与科 学 院院士 1 9 9 4年 和 医学科 学 院 院士 1 9 9 5年 此外还是 欧洲分子生物学组织 外 籍 会 员 1 9 9 5年 鲁 斯 曼 获 得 过 多 项 国 际 大 奖 重 要 的 如 E l i L i l l y生 物 化 学 基 础 研 究 奖 1 9 8 6 年 P a s s a n o青 年 科 学 家 奖 1 9 8 6年 维 兰 德 奖 H e i n r i c h Wi e l a n d P r i z e 1 9 9 0年 罗 森 斯 蒂 尔 生 物 医 学 奖 R o s e n s t i e l A w a r d i n B i o m e d i c a l S c i e n c e s 1 9 9 4年 李 普 曼奖 F r i t z L i p ma n n A w a r d 1 9 9 5年 盖 尔 德 纳 基 金 会 国 际 奖 G a i r d n e r F o u n d a t i o n I n t e r n a t i o n a l A w a r d 1 9 9 6年 哈 登 奖 章 Ha r d e n Me d a 1 1 9 9 7年 美 国国家科 学 院洛 斯 伯 里 奖 L o u n s b e r y A w a r d 1 9 9 7年 雷 恩 奖 F e o d o r L y n c h A w a r d 1 9 9 7年 喜力生 物化学和 生 物 物 理 奖 H e i n e k e n P r i z e f o r B i o c h e m i s t e r y a n d B i o p h y s i c s 2 0 0 0年 瓦博格 奖章 O t t o Wa r b u r g Me d a 1 2 0 0 1年 哥 伦 比亚 大 学 授 予 的霍 维 茨 奖 L o u i s a G r o s s H o r w i t z P r i z e 2 0 0 2年 和 拉 斯 克 基 础 医学 奖 2 0 0 2年 等 被 认 为 是 近 几 年 诺 贝尔 生 理学与医学奖的热门人选 之一 1 9 8 8年 鲁斯 曼离开斯 坦福大学加 入普林斯 顿 大 学 1 9 9 1年起 鲁 斯 曼 进 人 纽 约 斯 隆一 凯 特 琳 研 究 所 S l o a n K e t t e r i n g I n s t i t u t e S K I 工作 同一 年他成为 纪念斯 隆一 凯特琳 癌症 中心 细胞生物化 学和生物物理学计 划的主席 并从 1 9 9 4年起担任 研究所 的副所 长 2 0 0 4年 鲁斯曼又离 开 S l o a n K e t t e r i n g研究所 成为 哥伦 比亚 大学生理学教授 同时还担 任哥 伦 比亚大 学化 学 生物 学 中心 的主 任 2 0 0 8年 鲁斯 曼 回到 自己 的母 校 耶 鲁 大 学 担 任 医学 院 细 胞 生 物 学 系 的 Wa l l a c e讲 座 教 授 和 主 任 目前仍 在深入研究细胞囊泡运输 的机制及潜 在 医 学 应用 主 要 参 考 文 献 l Ro t h ma n J E La s k e r Ba s i e Me d i e a l Re s e a r c b Awa r d T he ma c hi n e x 7 a n d p r i nc i p l e s o f v e s i c l e t r a n s p o r t i n t h e c e l 1 Na t Me d 2 0 0 2 8 f 1 O 1 0 5 9 1 0 6 2 2 F r i e s E Ro t h ma n J E Tr a n s p o r t o f v e s i c u l a r s t o ma t i t i s v i r u s g l y c o p r o t e i n i n a c e l l f r e e e x t r a c t P r o c Na t l Ac a d S c i US A 1 9 8 0 7 7 7 3 8 7 0 3 8 7 4 3 Bl o c k M R Gl i c k B S Wi l c 0 x C A e a 1 P u r i fic a t i o n o f a n N e t h y l ma l e i mi d e s e n s i t i v e p r o t e i n c a t a l y z i n g v e s i c u l a r t r a n s p o rt P r o c N a t l A c a d S c i U S A 1 9 8 8 8 5 2 1 7 8 5 2 7 8 5 6 4 Malh o t r a V S e r a f i n i T Or c i L e t a 1 P u rifi c a t i o n o f a n o v e l c l a s s o f c o a t e d v e s i c l e s me d i a t i n g bi o s y n t h e t i c p r o t e i n t r a n s p o rt t h r o u g h t h e G o l g i s t a c k C e l l 1 9 8 9 5 8 2 3 2 9 3 3 6 5 Cl a r y D O Gr i ff I C Ro t h ma n J E S NAP s a f a mi l y o f NS F a t t a c h me n t p r o t e i n s i n v o l v e d i n i n t r a c e l l u l a r me mb r a n e f u s i o n i n a n i ma l s a n d y e a s t C e l l 1 9 9 0 6 1 4 7 0 9 7 2 1 6 We b e r T Z e me l ma n B V Mc Ne w j A e t a SNAREp i n s mi n i m a l ma c h i n e r y f o r m e m b r a n e f u s i o n C e l l 1 9 9 8 9 2 6 7 5 9 7 7 2 7 郭 晓强 郭振 清 细胞囊 泡运 输功 能的分 子机 理 生物学 教 学 2 0 0 3 2 8 9 4 5 8 Ra d h a k r i s h n a n A I k e d