細胞內精巧的運輸構造—囊泡(Vesicles)
人體約有兩百多種的細胞組成，細胞各司不同的功能，因而必須製造出各式各樣的分子來因應所需，例如激素(hormones)、神經傳導物質(neurotransmitters)、酵素(enzymes)、細胞激素(cytokines)等。
這些分子都必須在正確的時間製造，運輸到細胞內正確的位置或適時的胞泌(Exocytosis)到細胞外。而囊泡(Vesicles)就是細胞中負責傳遞運送這些分子的精巧胞器。
表一、1999年以及2013年諾貝爾生理醫學獎得主的貢獻，都跟細胞內的囊泡(Vesicles)有關。
|
年 代
|
姓 名
|
主 要 貢 獻
|
|
1999
|
根特.布洛貝爾(Gunter Blobel)
|
發現核醣體合成的蛋白質都各有自己的宿命，而這些蛋白質究竟要到溶素(酶)體、細胞膜或分泌小泡，主要是由高爾基體分配決定，然後由囊泡運送。
|
|
2013
|
蘭迪•謝克曼
(Randy W.Schekman)
詹姆斯•羅斯曼
(James E.Rothman)
托馬斯•聚德霍夫
(Thomas C.Sudhof)
|
發現一系列囊泡運輸的調節基因。
闡明囊泡與目標胞器進行融合的蛋白質複合體以及作用的機制。
揭示指示囊泡精確釋放貨物的信號機制。
|
1999年獨得諾貝爾生理醫學獎的根特.布洛貝爾(Gunter Blobel)，他發現核醣體合成的蛋白質都各有自己的宿命(destination)，而這些蛋白質究竟是要到溶素(酶)體(Lysosome)中、細胞膜(cell membrane)上或形成分泌囊泡(secretory vesicles)分泌到細胞外，主要是由高爾基體分配(sorting)決定，然後再經由囊泡來運輸至定位。
|
高爾基體主要功能—包裝(packaging)及分配(sorting)。
※高爾基體好比細胞中的『郵局』，而囊泡好比細胞中的『郵差』。
|
布洛貝爾為了讓大家易懂，特地以每種蛋白質都有自己的郵遞區號(area codes)來表示，形容得相當貼切。之後也有人以細胞內的宅急便，來形容此細胞內的分配現象。
圖01.
粗糙型內質網(RER)上的核醣體合成之蛋白質，經平滑型內質網(SER)，再送到高基氏體(Golgi Complex)形成溶體(Lysosome)，或產生分泌囊泡(Secretory Vesicles) ，蛋白質如何在正確的時間形成？加工後之蛋白質又如何運輸至正確地點？拜這些傑出科學家之賜，分配調節的機制，現今已有相當程度的了解。
圖02.
1999年諾貝爾生理醫學獎得主，根特.布洛貝爾(Gunter
Blobel)發現，細胞中核醣體合成的蛋白質，都有其宿命(Destinations)。
圖03.
布洛貝爾提出訊號胜假說(Signal peptide hypothesis)，用以解釋核糖體(Ribosome)合成的蛋白質，如何進入內質網管腔(ER lumen，圖下方藍色部分)。內質網將蛋白質進行初級糖化等步驟後，再送入高爾基氏體經次級糖化、磷酸化等加工步驟後，各有不同的宿命(Destinations)分配到：
1形成分泌囊泡(secretion)
2回到細胞核中(nucleus)
3進入粒線體中(mitochondria)
4植物細胞也可能分配到葉綠體中(choloroplasts)
5到細胞膜中(cell membrane)
6到細胞質中(cytoplasm)
等等(etc…)
2013年諾貝爾生理及醫學獎得主，這三位獲獎的細胞學家發現了這些「囊泡」，是如何在正確的時間運輸到正確地點的機制。
1.
蘭迪•謝克曼發現一系列囊泡運輸的調節基因。
(discovered a set of genes that were required for vesicle traffic.)
圖04.
2013年諾貝爾生理醫學獎得主之一，蘭迪•謝克曼(Randy W.Schekman)研究酵母菌的突變種，發現調節囊泡運輸的一系列關鍵基因以及基因表現的相關蛋白質(Sec61 translocation complex ；COPII vesicle
coat complex etc)。
圖05.
2013年諾貝爾生理醫學獎三位得主，研究細胞囊泡傳輸機制。
2. 詹姆斯•羅斯曼發現了負責接受囊泡的蛋白複合體(SNARE蛋白等)，闡明囊泡與目標進行融合、使分子得以運轉的蛋白質機制。運達目的地之後，需要一個識別代碼，保證囊泡在正確的碼頭卸貨，而囊泡內的貨物(cargo)能送達正確的「宿命」，這就是這些蛋白複合體的功能。
(unravelled protein machinery that
allows vesicles to fuse with their targets to permit transfer of cargo.)
圖06. 此圖是SNARE蛋白與囊泡(vesicles)在胞泌作用時相互作用的全部過程。
(1)～(5)是SNARE蛋白複合體→組合(assembly)→鍊合(zippering) →分離(disassembly)之過程。
SNARE蛋白是SNAP (Soluble NSF
Attachment Protein) Receptor的縮寫，在酵母菌最少有24種SNARE蛋白；在哺乳動物超過60種。SNARE蛋白的主要功能是，調節囊泡與標的物膜的融合。
3. 托馬斯•聚德霍夫則揭示了指示囊泡正確釋放貨物的信號機制。
突觸傳導(Synaptic
Transmission)是大腦活動的基本組成，決定了大腦的功能及作用。聚德霍夫最終成功地識別出突觸傳導的精確機制，以及所涉及的各組蛋白質，揭示它們在神經訊息傳遞扮演的角色。
(revealed how signals instruct
vesicles to release their cargo with precision.)
圖07.
2013年諾貝爾生理醫學獎得主之詹姆斯•羅斯曼(James E.Rothman)
以及托馬斯•聚德霍夫(Thomas C.Sudhof)之貢獻。
圖08.
神經元(Neuron)的的螢光顯微鏡照片。
細胞本體(Soma)；一個神經元軸突(Axon)僅有一條；樹突(Dendrites)可以有許多條。
圖09.
神經元之間，軸突末梢(Axonal terminal)；突觸間隙(Synaptic cleft)；樹突(Dendrite)三者之間的互動關係。
1動作電位到達軸突末梢(Action Potential
Arrival)
2軸突末梢電壓調節的鈣通道開啟(Voltage-gated Ca+2 channel open)
3含神經傳導物質的胞囊胞泌作用(Synaptic vesicle with neurotransmitter exocytosis)
4神經傳導物質與突觸後細胞膜的接受器結合(neurotransmitter bind with postsynaptic membrane receptor)
以上為托馬斯•聚德霍夫(Thomas C.Sudhof)研究的一個大概，實際上的步驟要比這複雜許多。(e.g., RIMs,
α-liprins, ELKS's, RIM-BPs, Piccolo/Bassoon, and Munc13's)
參考資料：
1. Budding Vesicles
in Living Cells
James E. Rothman &
Lelio Orci
Scientific American march
1996
2. Fantastic
vesicle traffic
YOUTUBE DOWNLOAD之囊泡在植物根毛中的移動的螢光攝影，螢光攝影的時間很短，大約只有一兩秒鐘，彌足珍貴。
3. Directing Traffic：How Vesicles Transport Cargo
此文章中有三段螢光攝影影片，可動態觀賞胞泌作用(Exocytosis)；細胞內囊泡之移動…
RIP/images_2013/Nobels-2013-MorP-1.gif){kind=link}
RIP/images_2013/Nobels-2013-MorP-2.gif){kind=link}
沒有留言:
張貼留言