·學(xué)術(shù)先鋒·

2013年艾伯特·拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究獎

2013年艾伯特·拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究獎授予兩位發(fā)現(xiàn)了大腦活動下快速神經(jīng)遞質(zhì)釋放過程的科學(xué)家，來自基因泰克公司(Genetech)的Richard H. Scheller和來自斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Thomas C. Südhof，他們在研究工作中鑒別并分離出了反應(yīng)的關(guān)鍵因素，闡明了該過程基本機(jī)制的核心環(huán)節(jié)，破解出細(xì)胞是如何在極高精度下工作的。這些研究工作為了解某些惡性疾病如何影響人類以及人類正常的學(xué)習(xí)和記憶功能搭建了一個分子級的研究框架。

Richard H.Scheller

Thomas C.Südhof

在上世紀(jì)50年代，已故的伯納德·卡茨爵士(Sir Bernard Katz)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞能釋放出固定劑量的神經(jīng)遞質(zhì)，隨后則有人在電子顯微鏡下對此進(jìn)行了研究并闡述。固定劑量的化學(xué)遞質(zhì)被儲存在像氣球一樣的囊泡內(nèi)。鈣離子通過刺激這些脂質(zhì)囊泡并與包裹著神經(jīng)遞質(zhì)的細(xì)胞膜融合后，細(xì)胞膜就釋放出包含的神經(jīng)遞質(zhì)。

神經(jīng)間傳遞的速度是驚人的快，鈣離子能在不到1 ms的時間內(nèi)迅速進(jìn)入神經(jīng)細(xì)胞并釋放出神經(jīng)遞質(zhì)傳給下一個神經(jīng)元。

雖然Südhof和Scheller早已開始著手這個研究計劃，但是在分子層面上的研究還并未有哪個科學(xué)家涉足。沒人知道是什么驅(qū)使小囊去融合細(xì)胞膜，或者鈣離子是怎么推動神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞的。

細(xì)胞膜里的影響因素

在上世紀(jì)80年代末，Scheller和Südhof分別獨立地提出要揭開神經(jīng)遞質(zhì)傳導(dǎo)過程的分子基礎(chǔ)?；谏窠?jīng)末梢內(nèi)包括反應(yīng)的各個元素的推論，科學(xué)家決定分離提純并描述出這些元素。最開始Scheller瞄上了囊泡，后來他在斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院通過電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)了那個最根本的能夠融合各組織的東西：囊泡相關(guān)膜蛋白(VAMP)。次年，Südhof，在位于達(dá)拉斯的德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心，從大鼠的腦組織中也分離出了同樣的蛋白質(zhì)，并命名為突觸小泡蛋白(synaptotagmin)。

Südhof隨后提純和研究了另一個囊泡蛋白，突觸結(jié)合蛋白。當(dāng)有鈣存在時，該蛋白即可結(jié)合細(xì)胞膜主要構(gòu)成成分磷脂。Scheller將能結(jié)合大腦蛋白的突觸結(jié)合蛋白命名為突觸融合蛋白(syntaxin)。相反，突觸小泡蛋白和VAMP/突觸結(jié)合蛋白(Synaptobrevin)，突觸融合蛋白濃縮在細(xì)胞膜內(nèi)——神經(jīng)細(xì)胞釋放神經(jīng)遞質(zhì)的那個區(qū)域集中。

與此相獨立的是，來自耶魯大學(xué)的James Rothman(拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究獎2002年度獲獎?wù)?研究了物質(zhì)是如何跨過細(xì)胞膜被傳送的。在這個傳輸過程中，輸送物質(zhì)的小泡也是通過融合目的細(xì)胞的細(xì)胞膜來傳送內(nèi)容物的。Rothman提出在應(yīng)用活酵母細(xì)胞進(jìn)行該實驗時發(fā)現(xiàn)，傳輸時必須有一種被稱為NSF的蛋白質(zhì)，通過另一種蛋白質(zhì)和尚未明確的受體才能附著于細(xì)胞膜。這些他發(fā)現(xiàn)并假定存在作用的蛋白質(zhì)，被命名為SNAREs(陷阱)。

為了能分離出這些蛋白質(zhì)，Rothman在大鼠大腦里通過尋找與NSF對接的受體來尋找。結(jié)果有三種蛋白質(zhì)被捕獲：VAMP/突觸結(jié)合蛋白，突觸融合蛋白，和SNAP-25，一種已被確認(rèn)的存在于神經(jīng)末梢細(xì)胞膜的蛋白。

為研究這三種蛋白，Rothman設(shè)計了兩種不同的研究方案。結(jié)果顯示，這些蛋白可以通過促進(jìn)融合來促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，但這也只是間接證據(jù)。同時，這些蛋白的生理功能有著明顯的相互聯(lián)系，并已從不同的方向進(jìn)行了驗證。

科學(xué)家們早已發(fā)現(xiàn)某些細(xì)菌毒素可以阻止神經(jīng)傳遞，并在1992年由來自帕多瓦大學(xué)的Cesare Montecucco指出，肉毒桿菌和破傷風(fēng)桿菌釋放的毒素可以通過剪切下VAMP/突觸結(jié)合蛋白的一塊來阻斷神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。Montecucco、Südhof和來自哥廷根大學(xué)馬克思·普朗克研究所的Reinhard Jahn的研究成果都表明，還有更多的神經(jīng)毒素會去攻擊突觸融合蛋白和SNAP-25。這些觀察證實了三種蛋白在神經(jīng)傳遞中至關(guān)重要。細(xì)胞融合的機(jī)制尚不明確，但是，已經(jīng)清楚的是該過程須有鈣離子觸發(fā)才能發(fā)生。

探索融合機(jī)制

之前的研究工作表明VAMP/突觸結(jié)合蛋白、突觸融合蛋白和SNAP-25可以促成NSF聚集，而不涉及它們是否是分別或一起做的。在1993年，Scheller在與Rothman的合作中，發(fā)現(xiàn)了VAMP/突觸結(jié)合蛋白、突觸融合蛋白和SNAP-25彼此穩(wěn)定地形成一個所謂的“SNARE復(fù)合物”。他們的研究還發(fā)現(xiàn)NSF可以破壞該聚合物?？茖W(xué)家們后來意識到，這種現(xiàn)象有助于回收分子結(jié)構(gòu)。

在此期間，研究人員解釋了這些蛋白質(zhì)之間的精確相互作用，并辨析了蛋白質(zhì)之間如何相互關(guān)聯(lián)可以促進(jìn)細(xì)胞融合。Scheller發(fā)現(xiàn)，小泡上的VAMP/突觸結(jié)合蛋白吸附結(jié)合在質(zhì)膜上的突觸融合蛋白，SNAP-25則負(fù)責(zé)幫它們配對。Scheller、Jahn和來自華盛頓大學(xué)圣路易斯分校醫(yī)學(xué)院的John Heuser的不懈努力，與在其他研究工作中發(fā)現(xiàn)的VAMP/突觸結(jié)合蛋白與突觸融合蛋白形成互相纏繞住對方的線圈相結(jié)合，從而共同描繪出了細(xì)胞膜里的這些蛋白是如何嵌入的。來自耶魯大學(xué)的Axel Brunger和Jahn在1998年報道高分辨率的VAMP/突觸結(jié)合蛋白、突觸融合蛋白和SNAP-25結(jié)構(gòu)時確認(rèn)并擴(kuò)展了這些觀點。他們認(rèn)為蛋白質(zhì)會像拉鏈一樣結(jié)合在一起，配對成功后方能促使細(xì)胞膜融合。

控制機(jī)制

這些與其他的觀察結(jié)果正在不斷擴(kuò)充細(xì)胞膜融合機(jī)制的基礎(chǔ)，但是也在強(qiáng)調(diào)重要而未解決的問題。不受控制的反應(yīng)會頻繁發(fā)生，不斷釋放神經(jīng)遞質(zhì)。盡管科學(xué)家們已經(jīng)明確，只有鈣離子才能激發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)釋放，但是具體細(xì)節(jié)仍然很模糊。很明顯，那就是在鈣離子進(jìn)入細(xì)胞和神經(jīng)遞質(zhì)釋放之間的這段極其短的時間內(nèi)，不可能快速生成多蛋白的神經(jīng)遞質(zhì)，一定有一個組織處于融合能力狀態(tài)的極限，等待鈣離子使其突破極限，所以推測應(yīng)該還有能檢測到鈣離子的蛋白質(zhì)存在。

Südhof表示對突觸小泡蛋白的最初觀察影響了他的視野，因為它們表現(xiàn)出這種蛋白質(zhì)是鈣離子依賴型的。他推測鈣離子會激發(fā)它以便于融合。1993年，他發(fā)現(xiàn)了突觸小泡蛋白的兩個結(jié)合鈣離子區(qū)域，且該區(qū)域的屬性可使其有效地抓住細(xì)胞膜表面磷脂，這些結(jié)果支持了蛋白質(zhì)是一種鈣傳感器的觀點。

1994年，Südhof制作了不能產(chǎn)生突觸小泡蛋白的大鼠模型。雖然這種大鼠在出生不久后即死亡，但從它們的胚胎里仍可分離出神經(jīng)元進(jìn)行研究。Südhof發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元的核心融合機(jī)制具有融合功能，但對鈣離子的刺激毫無反應(yīng)。在精細(xì)實驗組中，Südhof排除了突觸小泡蛋白減少鈣離子進(jìn)入細(xì)胞的損失或某些其它外圍物質(zhì)阻礙鈣離子感知的可能性，他制作了一系列大鼠模型，每只大鼠承載的突觸小泡蛋白均具有改變鈣離子親和力的作用。

突觸小泡蛋白的離子親和力與神經(jīng)傳遞的鈣敏感性相關(guān)。比如，增加鈣離子親合力，就要減少大約相同量的促神經(jīng)遞質(zhì)釋放所需鈣離子。這些研究結(jié)果證實了突觸小泡蛋白具有鈣傳感器功能的觀點。

與此同時，另一層的調(diào)整規(guī)律也浮出水面。Südhof發(fā)現(xiàn)了一種蛋白質(zhì)，復(fù)蛋白(complexin)，能夠很強(qiáng)地粘附VAMP/突觸結(jié)合蛋白、突觸融合蛋白和SNAP-25在一起。隨后的研究證實，它在鈣離子調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放中起了非常重要的作用。復(fù)蛋白與部分SNARE復(fù)合物結(jié)合在一起，可以引起細(xì)胞膜融合，但平時處于非激活狀態(tài)，直到關(guān)鍵的一步發(fā)生——也即鈣離子結(jié)合突觸小泡蛋白并擠掉復(fù)蛋白——即可立即激活該反應(yīng)。

醫(yī)學(xué)意義

大腦內(nèi)的通信影響著我們的思維方式和我們的認(rèn)知感受。在這個過程中出現(xiàn)缺陷即可導(dǎo)致精神分裂癥、抑郁癥、雙相性精神障礙，以及其它的病理狀況。對這些疾病的研究尚未直接指向復(fù)合體本身融合的異常行為，但是科學(xué)家們已經(jīng)開始發(fā)現(xiàn)在這些異常神經(jīng)傳導(dǎo)與嚴(yán)重疾病之間可能存在的關(guān)系。舉個例子，α突觸核蛋白，一種已被證實與帕金森病和其它神經(jīng)變性疾病有關(guān)的蛋白質(zhì)，在參與融合組織的機(jī)理中發(fā)揮了重大作用，還能使動物罹患不受年齡因素影響的神經(jīng)疾病。Südhof和Scheller關(guān)注的與神經(jīng)遞質(zhì)釋放時必不可少的另一種蛋白質(zhì)，它的缺陷與大田原綜合征(一種嚴(yán)重的嬰兒期癲癇病，可導(dǎo)致患兒癲癇和智力低下)密切相關(guān)。

通過系統(tǒng)地剖析和分析參與神經(jīng)遞質(zhì)釋放的蛋白質(zhì)，Südhof和Scheller已經(jīng)推進(jìn)了我們對該過程從粗略的輪廓到一系列細(xì)致入微的分子級別的理解。他們的研究揭示了最簡單和最復(fù)雜的神經(jīng)生物學(xué)活動的癥結(jié)里精心編排的謊言。

(摘引出處：http://www.bio1000.com/news/kx/ 20131105/479208.html)