Nobel Prize 2013 談今年諾貝爾生醫獎得主之貢獻--細胞液泡的導航者

  今年的諾貝爾生醫獎的主有三位博士：James E. Rothman，Randy W. Schekman與Thomas C. Südhof 。

  二十多年以來，他們的研究闡明了細胞中包含重要元素的液泡，是如何能夠精準地到達細胞膜，以及參與其中的導航與脂質融合的蛋白質成分。他們的研究解答了大部份的細胞生理機制，同時也告訴我們相關疾病的肇因。

孫瑋孜

2013年十月，贏得諾貝爾獎殊榮的是Rothman，Schekman與Südhof三位博士。他們分別以生物化學，分子生物學以及細胞生物學奠定了細胞中液泡與正確細胞膜區位的融合機制。

早在1974年的諾貝爾生醫獎得主們便發現在細胞中新生成的蛋白質乃從內質網出發，經由高基式體而最後達到細胞膜。讓我們用下圖簡介他們的研究結果：

    在當時，蛋白質從內質網至高基式體，最後運送到細胞膜的⎡蛋白質運輸⎦典範已經成型，然而包著特定蛋白質的液泡，是如何到達目標細胞膜，其詳細機制仍未解開。直到八零年代，Rothman，Schekman與Südhof三位博士才各別發現了液泡到達目標細胞膜之⎡單一性⎦機制。

蛋白質各有所歸

    將被運往細胞膜或細胞外的蛋白質，在液泡接觸細胞膜時，液泡的雙層脂質（lipid bilayer）必須與細胞膜的雙層脂質融合，使得特殊蛋白得以固定在細胞膜上（上圖紅色），或被釋出至細胞外（上圖藍色）。

現在讓我們看看液泡與目標細胞膜的融合過程：

    圖中原本在液泡中的懸浮物質（藍色）在融合後被釋放至細胞外，而一些必需留在細胞膜表面的蛋白質（紅色與綠色）也因此到達細胞膜上。

    下圖則是分化完成的上皮細胞；它們會整齊地排成一個平面，藍色部位是細胞核，而在細胞頂端有一層膜蛋白（紅色），以及這種上皮細胞特有的纖毛（綠色）。不論紅色或綠色蛋白都規矩地被送到細胞頂層，我們不會看到它們跑到細胞與細胞之間，或跑到細胞的底層。這種專一性的蛋白分佈位置，是1974年的⎡蛋白質運輸典範⎦還無法解釋的現象（圖一）。然而今年的三位諾貝爾獎得主卻進一步釐清了這個現象。

液泡與細胞膜⎡相認⎦與⎡融合⎦的機制

    誠如上圖所示，紅色與綠色蛋白⎡只能⎦被送到頂端的細胞膜，我們可以想見，裝載這些蛋白的液泡與頂端的細胞膜之間，必定存有某種互相具專一性地辨認方法。假設液泡上有物質⎡A⎦，能與目標細胞膜上的⎡a⎦質相結合，而另一種液泡與其目標細胞膜以彼此的⎡B⎦和⎡b⎦物質相認；這麼一來液泡中的蛋白質傳輸便具有專一性，該到細胞頂端的蛋白不會跑到底端，反之亦然。現在我們終於瞭解其詳細參與其中的蛋白質了，以下面的簡圖表示：

   在上圖中，SNARE是一個複雜的蛋白結合體；v-SNARE的（T）代表其位於液泡（vesicle）上，而t-SNARE代表目標（target）細胞膜。在龐大的蛋白質傳輸體系中，有許多種t-SNARE的與v-SNARE互相辨認，而促成運輸蛋白質到達細胞膜的特定位置，才能進行其功能。

    其中t-SNARE的基本組成單位有兩種蛋白：⎡SNAP-25（以綠色顯示）⎦以及 ⎡syntaxin（紅）⎦，而液泡上則為⎡VAMP（藍）⎦；這三種蛋白質是成比例存在的。當VAMP與t-SNARE結合時，雙方都產生了蛋白質結構上的變化：原本t-SNARE的蛋白都呈現螺旋（alpha-helix）構型 [註]，而VAMP一開始只有一小部份為螺旋構型（在此螺旋構型以細長方形表示）；而當t-SNARE與v-SNARE接觸時，VAMP的螺旋部分受到t-SNARE的引導，不但變長而且與SNAP-25，syntaxin形成緊密地結合，三者組成的結構便有如拉鍊一般向兩旁移動，將液泡與細胞膜拉近並融合在一起。

    上圖看似簡單，卻是從七零年代橫跨九零年代，分別由Schekman博士利用酵母菌的突變種發現與液泡融合的基因，Rothman博士利用生化方式發現這些造成融合的基本蛋白，與Südhof證明神經突觸間釋放神經傳導因子的機轉等研究結果之累積。這些過程在許多生理過程都極為重要，一有缺失便會造成功能異常，甚至疾病的發生，其中一例便是⎡第二型糖尿病⎦便是第四型葡萄糖運送蛋白（ GLUT-4）無法從液泡中送到希胞膜上有關。

結語

    Rothman，Schekman與Südhof三位博士分別在上世紀七零至九零年代，找到了控制液泡與細胞膜融合的三大角色：syntaxin，SNAP-24與VAMP與它們的作用機制。這三類蛋白在酵母菌至人類細胞都是各種生理反應不可或缺的；他們三位的貢獻也促進後續科學家進一步研究各種細胞中蛋白運輸的更詳細機制。他們因為重大的發現而獲得2013年的諾貝爾生醫獎，可說是實至名歸了。

[註] alpha-helix正如其名，是蛋白鏈纏繞而成的結構。下圖是將液泡融合時的蛋白以二級結構表示：

如線圈般纏繞的結構就稱為⎡ alpha-helix⎦。

參考資料

1. Novick P, Schekman R: Secretion and cell-surface growth are blocked in a temperature-sensitive mutant of Saccharomyces cerevisiae. Proc Natl Acad Sci USA 1979; 76:1858-1862.
2. Balch WE, Dunphy WG, Braell WA, Rothman JE: Reconstitution of the transport of protein between successive compartments of the Golgi measured by the coupled incorporation of N-acetylglucosamine. Cell 1984; 39:405-416.
3. Hata Y, Slaughter CA, Südhof TC: Synaptic vesicle fusion complex contains unc-18 homologue bound to syntaxin. Nature 1993; 366:347-351.