細胞里的“物流”機制

在新陳代謝過程中，細胞是如何將大量物質進行分揀、包裝并送貨的，三位諾貝爾獎獲得者發(fā)現(xiàn)，問題的關鍵在于囊泡運輸系統(tǒng)。

在顯微鏡下，神經(jīng)元看起來就像是紙張被揉皺又攤開后的細小褶皺，它們之間靠突觸進行溝通，而這正是人腦能夠運行的基礎。美國斯坦福大學的神經(jīng)科學家托馬斯·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”是如何進行的。

2013年10月7日，諾貝爾獎網(wǎng)站把電話打到蘇德霍夫的手機上時，他正在西班牙的路上開車，當天下午他要到巴埃薩去做一個學術報告。他起初以為是同行打來電話給他指路，于是就把車開進一個停車場去接電話，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，她還以為是哪個搞不清時區(qū)的中國親戚打來的。

瑞典皇家科學院宣布把2013年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎頒給三名在“細胞物質運輸”研究上做出突出貢獻的科學家——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了生物學的一個重大問題，即“細胞如何在新陳代謝過程中將大量物質進行分揀、包裝并在正確的時間送到正確的地點”。這三位諾貝爾獎獲得者已經(jīng)向人們展示，問題的關鍵在于細胞內(nèi)存在的囊泡運輸系統(tǒng)。

身體里的物流網(wǎng)絡

與現(xiàn)代社會發(fā)達的物流網(wǎng)絡可以將貨物準確地送至千家萬戶一樣，細胞內(nèi)也需要一個類似的運輸系統(tǒng)將細胞產(chǎn)生的分子，如激素、神經(jīng)遞質和細胞因子等運輸?shù)郊毎麅?nèi)的其他地方或轉運出細胞。

早在40年前，著名細胞生物學家、諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主喬治·帕拉德（George Palade）就在電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了細胞內(nèi)的運輸網(wǎng)絡。他發(fā)現(xiàn)細胞內(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胞貨物穿梭于各細胞器間，或是與細胞膜融合將貨物釋放到細胞外去。囊泡的存在能夠有效地防止不同類型、不同去處的細胞貨物混雜在一起。

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

1976年，美國加州大學伯克利分校的舒克曼建立了一個實驗室，開始采用一種不同尋常的方法探究這一問題。以酵母為模式動物，試圖研究細胞內(nèi)物質運輸系統(tǒng)的機制。那個時候，一些同行認為他這個研究是一個“愚蠢的決定”。

通過基因篩選，他發(fā)現(xiàn)一株運輸系統(tǒng)有缺陷的酵母細胞，這種細胞中的囊泡堆積在細胞內(nèi)的某些部位，好像物流網(wǎng)絡癱瘓造成貨物堆積一樣。他發(fā)現(xiàn)某些遺傳基因的突變造成了該酵母細胞的缺陷。

以這些基因為突破口，又經(jīng)過10年的研究，舒克曼鑒定出了三類在不同階段調(diào)控囊泡運輸?shù)幕?，從而為物質運輸系統(tǒng)的機制提供了一套新的見解。

最早的時候，舒克曼在酵母上的研究不但被一些人認為是愚蠢的，而且還是常常不被看好的基礎研究。不過，他的研究后來被證明極具價值。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。

與舒克曼同一時期，當時還在斯坦福大學的羅斯曼也建立了自己的實驗室，他利用哺乳動物細胞進行類似的實驗。他發(fā)現(xiàn)了一種影響細胞物質運輸?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，這意味著囊泡運輸系統(tǒng)有著共同的演化起源。

除此以外，羅斯曼還發(fā)現(xiàn)了一個蛋白復合物，它能使囊泡與目的地的膜系統(tǒng)進行對接和融合。為了確保貨物被交付到精確的位置，它們只會以特異性的方式進行結合。該發(fā)現(xiàn)闡明了囊泡如何轉運至目標的機制。

這些發(fā)現(xiàn)早就讓舒克曼和羅斯曼成為諾獎的熱門人物。在2002年，他們獲得了美國的拉斯克獎。有很多這個獎項的獲得者隨后還會獲得諾貝爾獎，因而它常常被當成某種“指針”。這兩位生物學家也不例外，他們在內(nèi)心當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，加州大學伯克利分校描述稱，每一年，在那個令人期待的早晨來了又去、唯獨沒有瑞典電話的時候，舒克曼和羅斯曼就會互通電話。舒克曼會借用電影中的說法，把這一天稱為“土撥鼠日”。在電影《土撥鼠日》中，主人公每天都會重復相同的故事。

這樣的日子重復了十年。2013年10月6日晚上，舒克曼從德國領了一個獎回到家，那是德國在生物化學領域的最高獎之一。躺下沒幾個小時，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，“我的第二反應也是這個。”