托馬斯·聚德霍夫（Thomas Sudhof）博士是一位穿著隨意，但做起研究來(lái)卻一絲不茍的人。即使是加州炎熱的艷陽(yáng)天，他仍然穿著厚運(yùn)動(dòng)衫。當(dāng)接到獲獎(jiǎng)的電話時(shí)，他像對(duì)待科學(xué)問(wèn)題一樣詢問(wèn)：你是認(rèn)真的嗎？

2013年10月7日，斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院細(xì)胞與分子生理學(xué)系的托馬斯·聚德霍夫博士成為諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主之一，正是他長(zhǎng)期的開創(chuàng)性的工作讓我們知道了神經(jīng)細(xì)胞是如何進(jìn)行信息傳遞的。

一、學(xué)生時(shí)代和早期的科研訓(xùn)練生涯

托馬斯·聚德霍夫于1955年出生于德國(guó)哥廷根，他的外祖父母跟隨德國(guó)改革派的教育學(xué)家魯?shù)婪颉な反{（Rudolf Steiner）在華德夫（Waldorf）學(xué)校工作，他的父母都是內(nèi)科醫(yī)生，父親同時(shí)還從事醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)研究。聚德霍夫出生時(shí)，他的父親正在美國(guó)舊金山進(jìn)行生物化學(xué)方面的學(xué)習(xí)。聚德霍夫在哥廷根和漢諾威兩地度過(guò)了愉快的童年，并于1975年從漢諾威的華德夫?qū)W校畢業(yè)。那時(shí)，聚德霍夫不到20歲，他對(duì)除體育以外的很多科目都有濃厚的興趣。受家庭的影響，聚德霍夫最終選擇到醫(yī)學(xué)院讀書。他先后在亞琛和哥廷根的醫(yī)學(xué)院學(xué)習(xí)，也正是在哥廷根——魏瑪共和國(guó)時(shí)期的科學(xué)中心——聚德霍夫得到了非常好的訓(xùn)練，而且對(duì)科研越來(lái)越感興趣。

在哥廷根學(xué)習(xí)期間，聚德霍夫進(jìn)入了馬克思-普朗克生物物理及生物化學(xué)研究所中的神經(jīng)化學(xué)系，師從著名生物化學(xué)家維克托·惠特克（Victor Whittaker）博士，用生物化學(xué)的方法探究腦功能。作為第一位用生物化學(xué)的方法分離哺乳動(dòng)物突觸囊泡的科學(xué)家，維克托·惠特克博士對(duì)突觸囊泡胞吐和胞吞研究非常有興趣。聚德霍夫在維克托·惠特克實(shí)驗(yàn)室里研究了腎上腺髓質(zhì)中的分泌囊泡，還探索了其他有趣的生理現(xiàn)象。聚德霍夫于1982年在哥廷根大學(xué)獲得博士學(xué)位，他的博士論文闡述了腎上腺髓質(zhì)嗜鉻細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能。rhY/Yk/w5CboWPU9MTxpttyiVRV6arnfmM/4lFg+KZQ=在獲得博士學(xué)位后的一年里，聚德霍夫在哥廷根度過(guò)了他的實(shí)習(xí)醫(yī)師期，在此期間，他仍去維克托·惠特克實(shí)驗(yàn)室做些研究工作。那時(shí)的聚德霍夫希望自己像父親一樣，成為學(xué)術(shù)型內(nèi)科醫(yī)生。盡管在維克托·惠特克實(shí)驗(yàn)室的研究經(jīng)歷使聚德霍夫更加熱愛科學(xué)研究，但那時(shí)他的想法是做一些現(xiàn)實(shí)且立即可以看到效果的工作。

在當(dāng)時(shí)的德國(guó)，如果想成為一位學(xué)術(shù)型的醫(yī)生，就必須去國(guó)外接受幾年與臨床相關(guān)的科學(xué)訓(xùn)練。在了解了科研前景后，聚德霍夫于1983年遠(yuǎn)赴美國(guó)，在得州西南醫(yī)學(xué)中心分子遺傳系邁克爾·布朗（Michael Brown）和約瑟夫·戈德斯坦（Joseph Goldstein）實(shí)驗(yàn)室開始了他的博士后生涯。這兩位博士后導(dǎo)師因在膽固醇代謝中的研究，特別是對(duì)心血管醫(yī)學(xué)中低密度膽固醇受體的研究，而享譽(yù)世界，他們還分享了1985年的諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。聚德霍夫在接受博士后訓(xùn)練期間，成功地克隆出了低密度脂蛋白受體的基因，而且，這項(xiàng)研究教會(huì)了他分子生物學(xué)。

在邁克爾·布朗和約瑟夫·戈德斯坦的指導(dǎo)下，聚德霍夫明確了他的職業(yè)生涯發(fā)展方向——放棄臨床職業(yè)，轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)研究。當(dāng)時(shí)分子生物學(xué)在神經(jīng)科學(xué)研究中的應(yīng)用還尚未起步，聚德霍夫敏銳地意識(shí)到了這個(gè)難得的機(jī)會(huì)，因此，當(dāng)西南醫(yī)學(xué)中心在1986年提供給他一個(gè)助理教授的職位時(shí)，聚德霍夫決定投身于神經(jīng)遞質(zhì)分泌領(lǐng)域。在一次接受采訪時(shí)，他說(shuō)，“盡管成為一名職業(yè)醫(yī)生也許會(huì)讓我高興，但作為一名醫(yī)學(xué)學(xué)生，我必須和那些患有神經(jīng)退行性疾病或急性精神疾病患者接觸。這些經(jīng)歷在我腦中留下了不可磨滅的痕跡”[1]。這也許是他轉(zhuǎn)行做基礎(chǔ)研究的另一個(gè)原因。

二、細(xì)胞中的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)

聚德霍夫在美國(guó)達(dá)拉斯開創(chuàng)自己的實(shí)驗(yàn)室期間，他決定挑戰(zhàn)一個(gè)之前提出過(guò)但是被忽略的問(wèn)題——突觸囊泡是如何進(jìn)行胞吐的，也就是在突觸傳遞過(guò)程中神經(jīng)遞質(zhì)釋放的機(jī)制是什么？ 1986年，維克托·惠特克實(shí)驗(yàn)室的工作成果顯示，突觸囊泡能夠靠生物化學(xué)的方法純化[2]，但囊泡里的物質(zhì)如何釋放卻無(wú)人知曉。而在這之前的1979年和1984年，蘭迪·謝克曼（Randy Schekman）和詹姆斯·羅斯曼（James Rothman）在關(guān)于囊泡在細(xì)胞內(nèi)如何運(yùn)輸以及在細(xì)胞內(nèi)囊泡如何精確“?？俊奔?xì)胞膜方面已經(jīng)完成了部分重要的研究工作。[3][4]

細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的物質(zhì)如荷爾蒙、神經(jīng)遞質(zhì)、細(xì)胞因子等如何在正確的時(shí)間里傳遞到細(xì)胞中正確的地方或者細(xì)胞外，是被精確調(diào)控的。首先，細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的這些物質(zhì)被包裹在囊泡中，囊泡體積微小，呈泡狀，在細(xì)胞器之間來(lái)回運(yùn)輸物質(zhì)，或與細(xì)胞外膜融合將物質(zhì)釋放出去。蘭迪·謝克曼專心研究細(xì)胞如何組織囊泡在細(xì)胞內(nèi)，也就是細(xì)胞器間運(yùn)輸，20世紀(jì)70年代，他決定利用酵母菌作為模型系統(tǒng)來(lái)從遺傳學(xué)上研究囊泡細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸。通過(guò)遺傳篩查，蘭迪·謝克曼發(fā)現(xiàn)，酵母菌的囊泡運(yùn)輸若出現(xiàn)問(wèn)題，囊泡就會(huì)在細(xì)胞的特定區(qū)域堆積。蘭迪·謝克曼還發(fā)現(xiàn)，三類基因能夠控制囊泡運(yùn)輸?shù)牟煌矫?，從而為了解?xì)胞囊泡運(yùn)輸?shù)木苷{(diào)控機(jī)制提供了一種新認(rèn)識(shí)[5]。詹姆斯·羅斯曼同樣著迷于研究囊泡在細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸?shù)谋举|(zhì)。20世紀(jì)80至90年代，在研究哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)的囊泡運(yùn)輸時(shí)，他發(fā)現(xiàn)一種蛋白復(fù)合物SNAREs，這種物質(zhì)能夠讓囊泡?？吭诩?xì)胞膜上并與細(xì)胞膜融合。在融合過(guò)程中，囊泡上的蛋白質(zhì)與細(xì)胞膜如同拉鏈一般相互結(jié)合，正是這種蛋白復(fù)合物使得物質(zhì)能夠投遞到精確位置[6]。而且，詹姆斯·羅斯曼在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的控制囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白與蘭迪·謝克曼在酵母中發(fā)現(xiàn)的一些囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有高度的同源性。

三、聚德霍夫和他的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)研究

聚德霍夫?qū)τ谌四X中的神經(jīng)細(xì)胞如何傳遞信息很感興趣。腦中的信號(hào)分子——神經(jīng)遞質(zhì)包裹在神經(jīng)突觸前的囊泡中，通過(guò)羅斯曼和謝克曼發(fā)現(xiàn)的機(jī)制，與神經(jīng)細(xì)胞的外膜融合。但是，突觸前囊泡中的神經(jīng)遞質(zhì)是如何精確釋放的？是什么樣的機(jī)制使突觸傳遞如此的迅速和精確？聚德霍夫?qū)嶒?yàn)室用了20多年時(shí)間去尋找神經(jīng)細(xì)胞囊泡上和活動(dòng)區(qū)（active zone）上的關(guān)鍵蛋白，然后，他們用生物化學(xué)和生物物理方法去揭示這些蛋白的性質(zhì)和分子結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合特異性突變小鼠去檢測(cè)這些蛋白的功能。

在突觸前膜中，神經(jīng)遞質(zhì)的釋放發(fā)生在突觸前的活動(dòng)區(qū)中，所謂的活動(dòng)區(qū)，實(shí)際上是一個(gè)巨大的膜蛋白復(fù)合體。聚德霍夫?qū)嶒?yàn)室發(fā)現(xiàn)并闡述了其中的主要蛋白，包括SMs 蛋白家族和 RIMs 蛋白家族[7]。除此之外，他們還發(fā)現(xiàn)了RIM結(jié)合蛋白家族（RIM-BPs）也是活動(dòng)區(qū)中的重要蛋白組成成分。SMs 和 RIMs蛋白家族包含了多個(gè)在膜融合過(guò)程中發(fā)揮重要作用的結(jié)合域，SMs蛋白與羅斯曼發(fā)現(xiàn)的SNAREs蛋白一起構(gòu)成囊泡——細(xì)胞膜融合蛋白復(fù)合體，同時(shí)，RIM蛋白通過(guò)直接和細(xì)胞膜上的鈣離子通道相互作用，又集中到囊泡釋放位點(diǎn)的附近。SMs 和 RIMs蛋白在短時(shí)程和長(zhǎng)時(shí)程的使用依賴性的遞質(zhì)釋放變化中發(fā)揮作用，因而對(duì)學(xué)習(xí)記憶發(fā)揮重要作用。

最重要的是，突觸前的囊泡釋放是由鈣離子所觸發(fā)的。在20世紀(jì)80年代中期到90年代，聚德霍夫?qū)嶒?yàn)室一直在神經(jīng)細(xì)胞中尋找鈣敏感蛋白。聚德霍夫發(fā)現(xiàn)，鈣離子必須通過(guò)結(jié)合囊泡上的突觸結(jié)合蛋白（synaptotagmin）才能在囊泡與細(xì)胞膜融合中發(fā)揮作用[8]。突觸結(jié)合蛋白的C2結(jié)合域與鈣離子結(jié)合，并與SNAREs蛋白形成復(fù)合物，在囊泡內(nèi)物質(zhì)釋放之前，此復(fù)合物已經(jīng)形成；當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞動(dòng)作電位所促發(fā)的大量鈣離子涌入后，突觸結(jié)合蛋白上已經(jīng)結(jié)合鈣離子的C2結(jié)合域促使其與細(xì)胞膜的磷脂結(jié)合，進(jìn)而 “拉鏈” 開啟，信號(hào)物質(zhì)釋放出來(lái)。

聚德霍夫的發(fā)現(xiàn)解釋了短暫的精確如何實(shí)現(xiàn)，以及囊泡內(nèi)容物如何按指令釋放。連同另兩名諾獎(jiǎng)得主的發(fā)現(xiàn)，我們理解了細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)如何在正確的時(shí)間里傳遞到細(xì)胞中正確的地方或者細(xì)胞外，以及從酵母到人類的眾多有機(jī)體都具有相同的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理。這些知識(shí)也可以幫助我們了解，怎樣的基因突變會(huì)引起神經(jīng)退化，如精神分裂和自閉癥。

參考文獻(xiàn)：

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編輯 許方舟