囊泡运输调节机制的发现——2013年诺贝尔生理学或医学奖简介

细胞内特定蛋白质的靶向定位对于正常功能的发挥具有重要意义,而该过程由囊泡运输介导完成。谢克曼利用遗传学工具首先从酵母中筛选出多个囊泡运输相关基因;罗斯曼则用生物化学方法从哺乳动物细胞中鉴定出多个囊泡出芽和融合的相关分子并初步阐明其作用机制;苏德霍夫则发现钙离子调节突触囊泡释放神经递质的分子机制。这些研究拓展了对细胞内物质精确定位的理解,同时也更新了对部分疾病发生机制的认识。3位科学家由于"细胞内主要运输体系——囊泡运输调节机制的发现"而分享了2013年诺贝尔生理学或医学奖。     

囊泡运输的功能与调控机制

真核细胞通过区隔化形成各种细胞器,这些膜状结构和细胞质膜共同构成了复杂的生物膜系统。细胞质膜和细胞器之间以及细胞器之间大量的物质和信息交流构成了细胞生命活动的基础。由马达蛋白驱动的囊泡运输是细胞内物质运输的主要形式,囊泡运输的调控机制是细胞生物学领域的重大科学问题。该文重点总结了近年来基于微管轨道的囊泡运输领域中关于马达蛋白kinesin和cytoplasmic dynein的货物识别机制、货物卸载机制的研究进展,并对马达蛋白对于微管轨道的识别机制进行了初步探讨。此外,该文还总结了囊泡运输与人类疾病之间的关系。     

2013年诺贝尔生理学或医学奖

三位2013年诺奖得主解开了细胞如何管理内部运输系统的秘密。每一个细胞都是一个生产和外运分子的工厂。例如,胰岛素被生产和释放入血,神经递质从一个神经细胞释放传递到另一个。这些分子以囊泡的形式被运输到细胞外部。这三位诺奖得主发现了控制这些细胞内囊泡被按时运输到目的地的分子机理。     

Rab蛋白的结构、功能及进化

Rab蛋白是小分子GTP结合蛋白家族(small GTP-binding proteins)中最大的亚家族,大约由200个氨基酸组成,由保守的G结构域与高度可变的N端和C端组成。Rab蛋白作为细胞内囊泡运输的分子开关,与其上游调控子和下游特定的效应子相互作用,并与GTP的结合和水解过程相偶联,在囊泡运输的不同阶段发挥作用。对不同Rab蛋白调控囊泡运输的研究有利干全面理解细胞内各类囊泡定向运输的分子动力学机制。     

Rab蛋白在囊泡转运中的作用及影响

Rab蛋白是真核生物中保守的小GTP酶家族. Rab蛋白在细胞中普遍表达,它的活性在细胞内受到严格的调控:在活性形式Rab-GTP和无活性形式Rab-GDP之间转换,这是由鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEFs)和GTP酶活化蛋白(GAPs)调控的,并在囊泡转运的调控中起分子开关的作用.在囊泡运输中, Rab蛋白与不同的下游效应分子相互作用,参与从供体膜选择货物、出芽形成囊泡、调控囊泡沿细胞骨架运动、囊泡与受体膜锚定融合.当Rab蛋白功能受损导致囊泡转运途径障碍时,则会表现出不同的疾病,包括神经退行性疾病、癌症等.本文将对近年来Rab的蛋白结构和功能、参与囊泡运输的分子机制、Rab蛋白的循环调控以及其异常导致的疾病进行综述.     

拟南芥SNARE因子在膜泡运输中的功能

高等植物细胞含有复杂的内膜系统, 通过其特有的膜泡运输机制来完成细胞内和细胞间的物质交流。膜泡运输主要包括运输囊泡的出芽、定向移动、拴留和膜融合4个过程。这4个过程受到许多因子的调控, 如Coat、SM、Tether、SNARE和Rab蛋白等, 其中SNARE因子在膜融合过程中发挥重要功能。SNARE因子是小分子跨膜蛋白, 分为定位于运输囊泡上的v-SNARE和定位于靶位膜上的t-SNARE, 两类SNARE结合形成SNARE复合体, 促进膜融合的发生。SNARE蛋白在调控植物体生长发育以及对外界环境响应等生理过程中起重要作用。该文对模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)SNARE因子的最新细胞内定位和功能分析等研究进展进行了概述。     

COPⅠ囊泡形成与结构研究进展

真核细胞内物质的转运主要通过运输囊泡的出芽、融合所介导。外被体蛋白Ⅰ(coat proteinⅠ,COPⅠ)是一种由α、β、β'、γ、δ、ε、ζ亚基组成的异七聚体蛋白质复合物(即coatomer)。细胞内具有小GTP酶活性的ADP-核糖化因子1(ADP-ribosylation factor 1, Arf1)调节COPⅠ囊泡(COPⅠ-coated vesicle)的形成。在鸟苷酸交换因子的作用下,活化的Arf1-GTP结合至高尔基复合体(Golgiapparatus,Golgi)膜上,将胞质中的COPⅠ募集到膜上。COPⅠ在膜表面结合、分选货物、聚合装配,使膜弯曲产生包被的出芽,出芽逐渐增长最终与膜分离形成囊泡。COPⅠ囊泡进一步脱壳、与靶膜融合,进而完成对细胞内物质的转运。COPⅠ囊泡可携带蛋白质和脂质等货物分子从Golgi逆向转运至内质网(endoplasmic reticulum, ER),并介导Golgi膜囊间物质的逆向和正向运输过程,维持Golgi结构的极性与膜囊的成熟。     

神经元细胞器和囊泡运输

神经元是高度极化的细胞,典型的神经元由胞体、轴突及树突构成。神经元的胞体和神经末梢之间的物质和信息传递以及神经元之间的通讯都依赖于胞内的细胞器和囊泡运输。神经元中的运输系统对于神经元形态和功能的建成和维持以及突触的功能和可塑性至关重要。胞内运输的调控机制是细胞神经生物学领域的重大科学问题。该文重点总结了近年来关于神经元内细胞器和囊泡运输的研究进展,并对神经活性依赖的运输调控机制进行了初步探讨。此外,该文还简要介绍了神经元胞内运输与人类疾病之间的关系。     

囊泡运输的分子细胞机制

内膜系统构成了细胞及细胞器之间的天然屏障,保证重要的生命活动在相对独立的空间内进行。细胞内膜性细胞器之间的物质(如蛋白质、脂类)的运输主要是通过囊泡完成的。囊泡运输需要货物分子、运输复合体、动力蛋白和微管等的参与以及多种分子的调节,包括出芽、锚定和融合等过程。从上世纪60年代开始,人们认识到细胞分泌的蛋白需要先进入内质网,再到高尔基体,然后分泌到其作用部位。之后,信号肽假说被提出和证明。随后的研究完善了囊泡运输的过程,包括经内质网到高尔基体的蛋白质分泌运输过程中关键的调控基因及其作用环节、蛋白质复合物SNARE(可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感的融合蛋白附着蛋白受体)在囊泡锚定和融合中的作用机制等。在囊泡运输中的具有代表性的神经细胞突触囊泡中,触发突触囊泡融合的钙感受器(synaptotagmin)能快速准确地将钙信号传递到突触囊泡,通过与SNARE复合体等作用,实现与细胞膜融合并释放神经递质,最终完成神经信息的传递。该文从囊泡运输的研究历史回顾、已有研究成果以及未来展望等三个方面对囊泡运输分子细胞机制进行了阐述。     

利用FM4-64FX标记大鼠血管平滑肌细胞的囊泡运输

囊泡运输是大分子物质进入细胞的途径,血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)与外界存在频繁的信息和物质交换,该研究通过标识内吞囊泡来研究VSMCs的囊泡运输。体外培养大鼠胸主动脉VSMCs,用血管紧张素II(angiotensin II,Ang II)刺激,加入FM4-64FX短暂孵育后固定。通过免疫组化方法标记VSMCs血管紧张素II 1型受体(angiotensin II receptor type 1,AT1R),检测内吞囊泡和AR1R转运之间的关系。受到Ang II的激活后,VSMC快速形成内吞囊泡,将AT1R转运至胞质;存在血管紧张素受体阻断剂(angiotensin receptor blocker,ARB)时,内吞囊泡数量少,AT1R较少进入胞质。通过FM4-64 FX对胞内囊泡进行标识可以显示VSMCs的大分子物质运输,可观察特定的分子在内吞囊泡上的分布和运输情况。     

胞吐参与植物生物胁迫应答的研究进展

高等植物细胞内囊泡运输介导了膜结构之间的物质运输和信号转导,其中,胞吐调控了运输囊泡向质膜的转运,参与了植物细胞壁形成、细胞分泌和环境响应等多种生物学过程。胞吐可以通过重构及强化细胞壁阻止病原体定殖、分泌抗微生物因子抵御病原体的入侵以及调控植物激素载体蛋白和受体蛋白的极性运输等参与抗病应答。遗传学证据表明胞吐是调控植物生物胁迫响应的重要机制。该文综述胞吐参与植物生物胁迫应答分子机制的研究进展,以期为本领域研究提供参考。     

拟南芥SNARE因子在膜泡运输中的功能

高等植物细胞含有复杂的内膜系统,通过其特有的膜泡运输机制来完成细胞内和细胞间的物质交流。膜泡运输主要包括运输囊泡的出芽、定向移动、拴留和膜融合4个过程。这4个过程受到许多因子的调控,如Coat、SM、Tether、SNARE和Rab蛋白等,其中SNARE因子在膜融合过程中发挥重要功能。SNARE因子是小分子跨膜蛋白,分为定位于运输囊泡上的v-SNARE和定位于靶位膜上的t-SNARE,两类SNARE结合形成SNARE复合体,促进膜融合的发生。SNARE蛋白在调控植物体生长发育以及对外界环境响应等生理过程中起重要作用。该文对模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）SNARE因子的最新细胞内定位和功能分析等研究进展进行了概述。     

细胞内的精密“物流”——以高中生物学为背景解读2013年诺贝尔生理学或医学奖

以高中生物学知识为背景,对获得2013年诺贝尔生理学或医学奖的3位科学家在细胞内囊泡转运方面的研究进行了形象地解读,主要包括兰迪·谢克曼关于囊泡分类与运输路径的研究,詹姆斯·罗斯曼的SNARE学说,以及托马斯·苏德霍夫关于囊泡转运物质释放信号控制的研究,并阐述了细胞内囊泡转运对人类健康的重要意义。尝试运用平实、形象的科普语言解读生命科学领域的最新研究成果,便于中学生了解生命科学发展的最前沿动态。     

生物膜的动态结构和功能——从二维到三维

生物膜上蛋白质的运动不都是随机性的,经常受到细胞骨架等因素的限制。二维膜上的事件不断通过内吞、分泌等过程和整体细胞的功能联系起来。病毒感染细胞、细胞内囊泡和物质的定向运输等都和细胞内分子的识别、膜的融合和膜的分裂等过程紧密相关。     

细胞内胆固醇运输

作为生物膜的重要成分,细胞内不同膜上胆固醇含量的高低直接影响生物膜的生物物理特性和细胞信号的传递,与细胞正常的生理功能密切相关。外源内吞的胆固醇和内源合成的胆固醇通过囊泡介导和非囊泡介导的胆固醇运输途径在不同细胞膜之间转运,从而维持了不同细胞器上胆固醇的浓度梯度。一系列胆固醇结合和转运蛋白在细胞内胆固醇的运输中发挥了重要作用。本文旨在总结细胞内胆固醇运输途径与参与胆固醇运输的重要分子及相关作用机制。     

动物细胞的两向运输

任何动物中的所有细胞都有一种运输系统,它可以将物质从一个区域输送到另一个区域。神经细胞的物质运输是最典型的例子。每当神经冲动被激发后,包裹在微小囊泡中的化学信息沿着神经细胞以极快的速度运输到突触。在细胞质中,囊泡的输送是沿着纤细的微管进行的。斯坦福大学的罗纳德·维尔及其同事最近发现一种称为Kinesin的蛋白质复合体是动力装置之一,它驱动细胞器沿着枪乌鲗的神经轴突中的微管运动,(New scientist,     

浙贝母鳞片衰退过程的超微结构研究

通过光镜和电镜手段观察了浙贝母（Ｆｒｉｔｉｌｌａｒｉａ ｔｈｕｎｂｅｒｇｉｉＭｉｑ．）鳞片的衰退过程．开始时,近轴面表皮附近的几层薄壁细胞首先瓦解,形成一条清晰的破碎细胞带．细胞内含物的降解过程是主动有序的．高尔基体和内质网产生许多囊泡,囊泡在细胞内含物的降解和降解产物的运输过程中起着重要的作用．细胞间丰富的胞间连丝是胞间物质运输的良好通道     

Rab蛋白家族在神经类疾病中的作用

细胞内膜囊泡运输是一个复杂的通路网络,Rab GTPases是膜囊泡运输的主要调节剂,通常被认为是细胞内吞和分泌系统中各种细胞器和囊泡的特异性标记和识别物。与Rab蛋白相关的轴突运输、内体运输发生障碍是造成神经退行性疾病的重要原因之一。本文主要介绍了Rab蛋白在多种神经退行性疾病病理机制中的作用机理与调控机制,同时讨论了线粒体和胶质细胞功能异常与Rab蛋白之间的关联。深入探究Rab蛋白的作用机制对人类神经性疾病的早期诊断和治疗具有潜在的指导意义。     

浙贝母鳞片衰退和物质撤退的超微结构观察

本文以浙贝母衰退鳞片为材料,观察了细胞内含物降解和运输的过程。细胞内含物降解时,内膜系统产生许多囊泡,这些囊泡有降解和运输两方面的作用。降解产物在细胞中表现为颗粒和丝状物形式,它们在细胞间转移通过共质体和质外体两条途径,转移方式多种多样．降解产物经过细胞间转移,最终汇集到维管束,再通过维管束运往新生器官。转移细胞在物质运往筛分子的过程中起着重要作用。韧皮部是降解产物运输的主要通道,导管的一部分可能也参与了这种运输．     

植物囊泡运输与抗病性

细胞内的囊泡运输是生命活动中一个极其复杂的动态生物学过程,参与各种植物发育过程和对环境的响应,包括植物组织细胞特异性和防御响应。该文从蛋白质分选、分泌蛋白的合成和囊泡运输的特异性对植物囊泡运输与植物的先天性免疫的关系进行了详细阐述。