囊泡运输 --细胞内的“物流系统”

罗振革 中科院上海神经科学研究所

2013年诺贝尔生理和医学奖解读 , 上海科学会堂 ,2013/12/06

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典型动物细胞结构

细胞（英文： Cell ）是一切生物体结构和功能的基本单位。它是除了病毒之外所有具有完整生命力的生物的最小单位，也经常被称为生命的积木。

Bonifacino JS and Glick BS, Cell 2004

胞内运输系统

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细胞需要在正确的时间把正确的分子运输到正确的位置，该任务通常由被称为“囊泡”运输工具完成

囊泡运输赢得了 2013年诺贝尔生理学或医学奖

James RothmanYale University

Randy SchekmanUC Berkeley

Thomas SüdhofStanford University

“由于他们在细胞内物质运输机理方面的工作”5

乔治·埃米尔·帕拉德，现代细胞生物学的奠基者，有史以来最有影响的细胞生物学家1974年诺贝尔生理学和医学奖获得者

提出囊泡运输假说

囊泡运输的前夜

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The prize was granted for his innovations in electron microscopy and cell fractionation which together laid the foundations of modern molecular cell biology., the most notable discovery being the ribosomes of the endoplasmic reticulum – which he first described in 1955.

“Further understanding of the secretory process is now becoming dependent on adequate information on the chemistry of these membranes and on the reactions involved in their interactions.” -- George E. Palade, 1974

囊泡运输的前夜

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深入了解细胞分泌机制依赖于了解这些膜组分的化学特性以及各种膜泡之间的作用机理

Randy Schekman

采用体外生化反应研究物质在膜之间的运输

James Rothman

采用酵母遗传学研究囊泡运输

囊泡运输之花开两朵 , 殊途同归

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Randy W. Schekman 生平：1948年出生于美国明尼苏达州 St Paul

美国加洲大学洛杉矶分校本科斯坦福大学博士（ 1974 年） , 师从 Arthur Kornberg

(Nobel Prize 1959 for the discovery of DNA polymerase I).

1976 年—至今，美国加洲大学伯克力分校（ UC

Berkeley) 分子细胞生物学系教授 .

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Novick, P., and Schekman, R. (1979). Secretion and cell-surface growth are

blocked in a temperature-sensitive mutant of Saccharo- myces cerevisiae. Proc.

Natl. Acad. Sci. USA 76, 1858–1862.

Novick, P., Field, C., and Schekman, R. (1980). Identification of 23

complementation groups required for post-translational events in the yeast

secretory pathway. Cell 21, 205–215. 10

Schekman利用酵母这一单细胞生物研究囊泡运输的调控机制

Bonifacino JS and Glick BS, Cell 2004

Steps of Vesicle Budding and Fusion

囊泡出芽与融合的过程

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James E. Rothman生平：1950年 , 出生于美国麻省 Haverhill

1976年，哈佛大学医学院博士；麻省理工（ MIT)博士后；1978年，斯坦福大学开始研究细胞囊泡问题；曾经在普林斯顿和哥伦比亚大学工作；2008年，耶鲁大学教授，任细胞生物学系主任

“From Kornberg I learned two critical things at a critical time: how to formulate the strategy for a successful biochemical dissection of a complex system; and a deep faith that no matter how complex the problem, biochemistry would (eventually) succeed and would indeed provide the only sure route to the underlying molecular mechanisms.”----James E. Rothman 2002 Nature Mediclne

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在斯坦福期间 Kornberg 对 Rothman科学生涯产生重要影响：

James E. Rothman 作为医学生时感兴趣的科学问题 :How could cells make vesicles from membranes? How could each vesicle know where to go? How could it fuse?

PhD thesis with Eugene Kennedy established how the lipid bilayer isformed by asymmetric biosynthesis.

“My year or so as a postdoctoral fellow with Harvey Lodish (at the MassachusettsInstitute of Technology) was short but formative. Lodish taught me how to work with viruses and complex cell-free systems (translocation across membranes coupled to protein synthesis) and (frankly) how a large laboratory can be run boldly and energetically.”----James E. Rothman 2002 Nature Mediclne

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博士和博士后的训练奠定了基础

Fries, E. & Rothman, J.E. Transport of vesicular stomatitis virus glycoprotein in a cell-free extract. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 77, 3870–3874 (1980).

水泡性口膜炎病毒 (VSV)GlcNAc: N-乙酰葡糖胺

James E.Rothman 建立的研究物质运输的简单实验系统

Block, M.R., Glick, B.S., Wilcox, C.A., Wieland, F.T., and Rothman,Purification of an N-ethylmaleimide-sensitive proteincatalyzing vesicular transport. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85, 7852- 7856 (1988). 14

James Rothman 的贡献NSF以及 SNARE的发现

NSF: N-乙基马来酰亚胺敏感因子SNAP: soluble NSF-attachment protein 15

酵母的 Sec18 是 NSF同源蛋白Sec17 是 SNAP的同源蛋白

Bonifacino JS and Glick BS, Cell 2004

SNARES: soluble NSF-attachment protein receptors

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囊泡融合的 SNARE假说

James E. Rothman 2002 Nature Mediclne17

Thomas C. Südhof and James E. Rothman 2009 Science

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SNARE介导膜融合的“拉链”模型

Started his laboratory in 1986 at the University of Texas Southwestern in Dallas

Thomas Südhof的贡献囊泡融合的调节

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1955年出生于德国 Göttingen

1982 年 Georg-August-Universität获得 MD学位并于同年获得该校神经化学博士学位1983年，美国德州大学西南医学中心，作为 Michael Brown

和 Joseph Goldstein的博后（二人于 1985年获得诺贝尔生理学或医学奖 , 由于胆固醇代谢机理的贡献）1986 年 , 建立自己独立实验室1991年成为霍华德·休斯医学研究院研究人员2008 年 , 斯坦福大学分子与细胞生理学教授

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Thomas C. Südhof 生平

人的大脑有 100多亿个神经细胞人的一生能凭记忆储存 100万亿条信息人脑的神经细胞回路比今天全世界的电话网络还要复杂1400多倍每一秒钟，人的大脑中进行着 10万种不同的化学反应人的大脑平均为人体总体重的 2%，但它需要使用全身所用氧气的 25%，相比之下肾脏只需 12%，心脏只需 7%

人体内有 45英里的神经

神奇的大脑神奇的大脑

大脑是由 1012 不同种类的神经细胞组成，通过 1015 突触形成有功能的各种神经网络

各种形态的神经元

树突

轴突

突触

突 触

神经网络

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Bernard Katz

Born in Germany, 26 march, 1911Awarded Nobel Prize, 1970由于神经元间化学性讯息传递的机制研究

(1)动作电位到达末梢与出发乙酰胆碱释放之间的连接因子是钙离子 ;

(2)乙酰胆碱的释放不是在短期間內將个別的乙酰胆碱分子一个一个连续的释放，而是将它们储存于一个个包裹內，当动作电位来时整个包裹内的時整個包裹內的乙酰胆碱分子会同时集体的被释放到突触间隙，这样的乙酰胆碱（神经递质）分子包裹，卡茨称它為一個量子（ quantum ） ;

(3)动作电位到达神经末梢时，并不必然会触发量子的释放，其释放与否有固定的几率，当涌入細胞（神经末梢）內的钙离子愈多，則量子被释放的机率就愈高。

Katz阐明了突触传递的细胞学基础

囊泡融合的调节前奏

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伯纳德 ·卡茨

1. How do the synaptic vesicle and the plasma membrane fuse during transmitter release?

2. How does calcium trigger synaptic vesicle fusion?

3. How is calcium influx localized to release sites in order to enable the fast coupling of an action potential to transmitter release?

Thomas Südhof等人经过几十年的研究完美地回答了以上问题

Thomas Südhof 的贡献囊泡融合的调节

Bernard Katz 的递质释放的囊泡假说引发了以下几个问题：

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Thomas Südhof 的贡献囊泡融合的调节

1. How do the synaptic vesicle and the plasma membrane fuse during transmitter release?

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Thomas Südhof 的贡献囊泡融合的调节

2. How does calcium trigger synaptic vesicle fusion?

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Thomas Südhof 的贡献囊泡融合的调节

3. How is calcium influx localized to release sites in order to enable the fast coupling of an action potential to transmitter release?

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1. Randy Schekman利用遗传学方法，在酵母细胞中筛选出了一系列囊泡运输相关分子，阐明了囊泡出芽的过程和机制；

2. James Rothman利用生物化学体外重建的方法，揭示了囊泡融合的分子机制；

3. Thomas Südhof完善了囊泡（尤其是突触囊泡）融合的机理，揭示了囊泡融合的可调控性，证明了囊泡融合的功能。

诺贝尔奖之囊泡运输工作总结

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该工作与疾病的相关性

囊泡转运是细胞生理的基本过程；货物如何精确在胞内细胞器之间以及向胞外运输；基本原理在低等生物和人都是保守的；该过程对于神经递质，激素以及免疫细胞因子的释放都起作用；囊泡运输缺陷导致神经，免疫系统疾病以及糖尿病；因此，该项研究与人类健康息息相关。

Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

囊泡运输缺陷相关的人类疾病

囊泡运输缺陷相关的人类疾病

Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

囊泡运输缺陷相关的人类疾病

Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

囊泡运输缺陷相关的人类疾病

Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

囊泡运输缺陷相关的人类疾病

Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

囊泡运输缺陷相关的人类疾病

Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

囊泡运输缺陷相关的人类疾病

Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

囊泡运输缺陷相关的人类疾病

Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

囊泡运输缺陷相关的人类疾病

Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

诺奖的启示科学传承—站在前人的肩膀上重要科学问题—敏锐的洞察力扎实的训练—名师与殿堂科学氛围—团队和领袖科学的方法论—简单、精美而高效的研究系统多年的坚持—兴趣是驱动力科学规划与自由探索

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Plasmalemmal precursor vesicles (PPVs)during early neurite elongation

Pfenninger KH 2009 Nature Reviews Neuroscience

研究背景 : 轴突发育需要细胞膜的极性插入

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Wang T., Liu Y., et al. Dev. Cell 2011, 21: 431

Both Lgl1 and Rab10 are required for axon development Lgl1 promotes axon development through Rab10 Lgl1 promotes membrane localization of Rab10 by releasing Rab10 from GDI Lgl1-Rab10 system promotes directional membrane insertion during axon

development

发现轴突发育细胞膜转运机制：--抑癌蛋白 Lgl1通过激活 Rab10促进细胞膜的极性插入--Rab10 是 PPV的标志分子

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Paramagnetic beads coated with purified Lgl1 protein were incubated with cortical neuron postnuclear supernatant

Identity of Lgl1-associated vesicleNegative: Rab5 (early endosome) Rab11 (recycling endosome) VAMP2 (synaptic vesicle) Bip (Endoplasmic Reticulum)Positive: Rab10 TGN38 (trans-golgi network) TrkB, Frizzled7, IGFR (growth factor receptors) Dvl, Par3, Par6, aPKC (polarity proteins)

PPV的特征和分子组成

Wang T., et al Dev. Cell 2011 42

关于 PPV发生

Hirokawa N et al Neuron 2010

发现 Myosin Vb 在 Rab10-PPV 从TGN fission 过程中起关键作用 , 改变了以前 Myosin 主要负责物质运输的认识。

Control siMyosinVb43

Ath5-mcherry fish 2dpf

Retinal ganglion cells as a model to study axon development

By Yang Liu44

TAT-exon D injection causes loss of optic nerves

Liu Y., et al Nat. Commun. 2013 45

PPV如何形成？PPV如何沿着轴突运输？PPV如何与膜融合？PPV对轴突发育的影响？

Almeid CG et al. Nat. Cell Biol. 2011

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谢 谢！

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