托馬斯·聚德霍夫（Thomas Sudhof）博士是一位穿著隨意，但做起研究來卻一絲不茍的人。即使是加州炎熱的艷陽天，他仍然穿著厚運動衫。當接到獲獎的電話時，他像對待科學問題一樣詢問：你是認真的嗎？

2013年10月7日，斯坦福大學醫(yī)學院細胞與分子生理學系的托馬斯·聚德霍夫博士成為諾貝爾生理學和醫(yī)學獎得主之一，正是他長期的開創(chuàng)性的工作讓我們知道了神經(jīng)細胞是如何進行信息傳遞的。

一、學生時代和早期的科研訓練生涯

托馬斯·聚德霍夫于1955年出生于德國哥廷根，他的外祖父母跟隨德國改革派的教育學家魯?shù)婪颉な反{（Rudolf Steiner）在華德夫（Waldorf）學校工作，他的父母都是內(nèi)科醫(yī)生，父親同時還從事醫(yī)學學術(shù)研究。聚德霍夫出生時，他的父親正在美國舊金山進行生物化學方面的學習。聚德霍夫在哥廷根和漢諾威兩地度過了愉快的童年，并于1975年從漢諾威的華德夫?qū)W校畢業(yè)。那時，聚德霍夫不到20歲，他對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)學院讀書。他先后在亞琛和哥廷根的醫(yī)學院學習，也正是在哥廷根——魏瑪共和國時期的科學中心——聚德霍夫得到了非常好的訓練，而且對科研越來越感興趣。

在哥廷根學習期間，聚德霍夫進入了馬克思-普朗克生物物理及生物化學研究所中的神經(jīng)化學系，師從著名生物化學家維克托·惠特克（Victor Whittaker）博士，用生物化學的方法探究腦功能。作為第一位用生物化學的方法分離哺乳動物突觸囊泡的科學家，維克托·惠特克博士對突觸囊泡胞吐和胞吞研究非常有興趣。聚德霍夫在維克托·惠特克實驗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年在哥廷根大學獲得博士學位，他的博士論文闡述了腎上腺髓質(zhì)嗜鉻細胞的結(jié)構(gòu)和功能。rhY/Yk/w5CboWPU9MTxpttyiVRV6arnfmM/4lFg+KZQ=在獲得博士學位后的一年里，聚德霍夫在哥廷根度過了他的實習醫(yī)師期，在此期間，他仍去維克托·惠特克實驗室做些研究工作。那時的聚德霍夫希望自己像父親一樣，成為學術(shù)型內(nèi)科醫(yī)生。盡管在維克托·惠特克實驗室的研究經(jīng)歷使聚德霍夫更加熱愛科學研究，但那時他的想法是做一些現(xiàn)實且立即可以看到效果的工作。

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

在邁克爾·布朗和約瑟夫·戈德斯坦的指導下，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。當時分子生物學在神經(jīng)科學研究中的應用還尚未起步，聚德霍夫敏銳地意識到了這個難得的機會，因此，當西南醫(yī)學中心在1986年提供給他一個助理教授的職位時，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，他說，“盡管成為一名職業(yè)醫(yī)生也許會讓我高興，但作為一名醫(yī)學學生，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)研究的另一個原因。

二、細胞中的囊泡轉(zhuǎn)運

聚德霍夫在美國達拉斯開創(chuàng)自己的實驗室期間，他決定挑戰(zhàn)一個之前提出過但是被忽略的問題——突觸囊泡是如何進行胞吐的，也就是在突觸傳遞過程中神經(jīng)遞質(zhì)釋放的機制是什么？ 1986年，維克托·惠特克實驗室的工作成果顯示，突觸囊泡能夠靠生物化學的方法純化[2]，但囊泡里的物質(zhì)如何釋放卻無人知曉。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)于囊泡在細胞內(nèi)如何運輸以及在細胞內(nèi)囊泡如何精確“停靠”細胞膜方面已經(jīng)完成了部分重要的研究工作。[3][4]

細胞內(nèi)產(chǎn)生的物質(zhì)如荷爾蒙、神經(jīng)遞質(zhì)、細胞因子等如何在正確的時間里傳遞到細胞中正確的地方或者細胞外，是被精確調(diào)控的。首先，細胞內(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，在細胞器之間來回運輸物質(zhì)，或與細胞外膜融合將物質(zhì)釋放出去。蘭迪·謝克曼專心研究細胞如何組織囊泡在細胞內(nèi)，也就是細胞器間運輸，20世紀70年代，他決定利用酵母菌作為模型系統(tǒng)來從遺傳學上研究囊泡細胞內(nèi)運輸。通過遺傳篩查，蘭迪·謝克曼發(fā)現(xiàn)，酵母菌的囊泡運輸若出現(xiàn)問題，囊泡就會在細胞的特定區(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輸?shù)牟煌矫?，從而為了解細胞囊泡運輸?shù)木苷{(diào)控機制提供了一種新認識[5]。詹姆斯·羅斯曼同樣著迷于研究囊泡在細胞內(nèi)運輸?shù)谋举|(zhì)。20世紀80至90年代，在研究哺乳動物細胞內(nèi)的囊泡運輸時，他發(fā)現(xiàn)一種蛋白復合物SNAREs，這種物質(zhì)能夠讓囊泡?？吭诩毎ど喜⑴c細胞膜融合。在融合過程中，囊泡上的蛋白質(zhì)與細胞膜如同拉鏈一般相互結(jié)合，正是這種蛋白復合物使得物質(zhì)能夠投遞到精確位置[6]。而且，詹姆斯·羅斯曼在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)的控制囊泡轉(zhuǎn)運的蛋白與蘭迪·謝克曼在酵母中發(fā)現(xiàn)的一些囊泡轉(zhuǎn)運蛋白具有高度的同源性。

三、聚德霍夫和他的囊泡轉(zhuǎn)運研究

聚德霍夫?qū)τ谌四X中的神經(jīng)細胞如何傳遞信息很感興趣。腦中的信號分子——神經(jīng)遞質(zhì)包裹在神經(jīng)突觸前的囊泡中，通過羅斯曼和謝克曼發(fā)現(xiàn)的機制，與神經(jīng)細胞的外膜融合。但是，突觸前囊泡中的神經(jīng)遞質(zhì)是如何精確釋放的？是什么樣的機制使突觸傳遞如此的迅速和精確？聚德霍夫?qū)嶒炇矣昧?0多年時間去尋找神經(jīng)細胞囊泡上和活動區(qū)（active zone）上的關(guān)鍵蛋白，然后，他們用生物化學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)，同時結(jié)合特異性突變小鼠去檢測這些蛋白的功能。

在突觸前膜中，神經(jīng)遞質(zhì)的釋放發(fā)生在突觸前的活動區(qū)中，所謂的活動區(qū)，實際上是一個巨大的膜蛋白復合體。聚德霍夫?qū)嶒炇野l(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）也是活動區(qū)中的重要蛋白組成成分。SMs 和 RIMs蛋白家族包含了多個在膜融合過程中發(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——細胞膜融合蛋白復合體，同時，RIM蛋白通過直接和細胞膜上的鈣離子通道相互作用，又集中到囊泡釋放位點的附近。SMs 和 RIMs蛋白在短時程和長時程的使用依賴性的遞質(zhì)釋放變化中發(fā)揮作用，因而對學習記憶發(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80年代中期到90年代，聚德霍夫?qū)嶒炇乙恢痹谏窠?jīng)細胞中尋找鈣敏感蛋白。聚德霍夫發(fā)現(xiàn)，鈣離子必須通過結(jié)合囊泡上的突觸結(jié)合蛋白（synaptotagmin）才能在囊泡與細胞膜融合中發(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蛋白形成復合物，在囊泡內(nèi)物質(zhì)釋放之前，此復合物已經(jīng)形成；當神經(jīng)細胞動作電位所促發(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)合域促使其與細胞膜的磷脂結(jié)合，進而 “拉鏈” 開啟，信號物質(zhì)釋放出來。

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

參考文獻：

[1]Goldman B. Molecular Neuroscientist Thomas Sudhof Wins Lasker Award[EB/OL]. http：//med.stanford.edu/ism/2013/september/lasker.html，2013-09-09.

[2]Giompres PE， Whittaker VP. The Density and Free Water of Cholinergic Synaptic Vesicles as a Function of Osmotic Pressure[EB/OL]. http：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/0304416586902643，1986-07-16.

[3]Novick P， Schekman R. Secretion and Cell-surface Growth are Blocked in a Temperature-sensitive Mutant of Saccharomyces Cerevisiae[EB/OL]. http：//www.pnas.org/content/76/4/1858.full.pdf+html，1979-04.

[4]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[EB/OL].http：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/0092867484900199，1984-12.

[5]Kaiser CA， Schekman R. Distinct Sets of SEC Genes Govern Transport Vesicle Formation and Fusion Early in the Secretory Pathway[EB/OL]. http：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/009286749090483U， 1990-05-18.

[6]Sollner T， Whiteheart W， Brunner M， Erdjument-Bromage H， Geromanos S， Tempst P， Rothman JE. SNAP Receptor Implicated in Vesicle Targeting and Fusion[EB/OL]. http：//www.biochem.uthscsa.edu/～lafer/Virgil4Upload/INTD5040topost/Reading/Sollner-Rothman93.pdf，1993-03-25.

[7]Hata Y， Slaughter CA， Südhof TC. Synaptic Vesicle Fusion Complex Contains unc-18 Homologue Bound to Syntaxin. Nature 1993； 366：347-351.

[8]Perin MS， Fried VA， Mignery GA， Jahn R， Südhof TC. Phospholipid Binding by a Synaptic Vesicle Protein Homologous to the Regulatory Region of Protein Kinase C[EB/OL]. http：//www.nature.com/nature/journal/v345/n6272/abs/345260a0.html， 1990-05-17.

編輯 許方舟