2017年6月23日 星期五

細胞內精巧的運輸構造—囊泡(vesicles) 06-23-2017


      細胞內精巧的運輸構造—囊泡(Vesicles)

    人體約有兩百多種的細胞組成,細胞各司不同的功能,因而必須製造出各式各樣的分子來因應所需,例如激素(hormones)、神經傳導物質(neurotransmitters)、酵素(enzymes)、細胞激素(cytokines)等。

    這些分子都必須在正確的時間製造,運輸到細胞內正確的位置適時的胞泌(Exocytosis)到細胞外。而囊泡(Vesicles)就是細胞中負責傳遞運送這些分子的精巧胞器。


表一、1999年以及2013諾貝爾生理醫學獎得主的貢獻,都跟細胞內的囊泡(Vesicles)有關。

    
     
           
1999
根特.布洛貝爾(Gunter Blobel)
發現核醣體合成的蛋白質都各有自己的宿命,而這些蛋白質究竟要到溶素()體、細胞膜或分泌小泡,主要是由高爾基體分配決定,然後由囊泡運送。
2013
蘭迪•謝克曼
(Randy W.Schekman)
詹姆斯•羅斯曼
(James E.Rothman)
馬斯•聚德霍夫
(Thomas C.Sudhof)
發現一系列囊泡運輸的調節基因。

闡明囊泡與目標胞器進行融合的蛋白質複合體以及作用的機制。
揭示指囊泡精確釋放貨物的信號機制。

        
    1999年獨得諾貝爾生理醫學獎的根特.布洛貝爾(Gunter Blobel),他發現核醣體合成的蛋白質都各有自己的宿命(destination),而這些蛋白質究竟是要到溶素()(Lysosome)中、細胞膜(cell membrane)上或形成分泌囊泡(secretory vesicles)分泌到細胞外,主要是由高爾基體分配(sorting)決定,然後再經由囊泡來運輸至定位。

高爾基體主要功能—包裝(packaging)及分配(sorting)
※高爾基體好比細胞中的『郵局』,而囊泡好比細胞中的『郵差』。

    布洛貝爾為了讓大家易懂,特地以每種蛋白質都有自己的郵遞區號(area codes)來表示,形容得相當貼切。之後也有人以細胞內的宅急便,來形容此細胞內的分配現象。




01. 粗糙型內質網(RER)上的核醣體合成之蛋白質,經平滑型內質網(SER),再送到高基氏體(Golgi Complex)形成溶體(Lysosome),或產生分泌囊泡(Secretory Vesicles) ,蛋白質如何在正確的時間形成?加工後之蛋白質又如何運輸至正確地點?拜這些傑出科學家之賜,分配調節的機制現今已有相當程度的了解。





02. 1999年諾貝爾生理醫學獎得主,根特.布洛貝爾(Gunter Blobel)發現,細胞中核醣體合成的蛋白質,都有其宿命(Destinations)





03. 布洛貝爾提出訊號胜假說(Signal peptide hypothesis),用以解釋核糖體(Ribosome)合成的蛋白質,如何進入內質網管腔(ER lumen,圖下方藍色部分)。內質網將蛋白質進行初級糖化等步驟後,再送入高爾基氏體經次級糖化、磷酸化等加工步驟後,各有不同的宿命(Destinations)分配到:

1形成分泌囊泡(secretion)

2回到細胞核中(nucleus)

3進入粒線體中(mitochondria)

4植物細胞也可能分配到葉綠體中(choloroplasts)

5到細胞膜中(cell membrane)

6到細胞質中(cytoplasm)

等等(etc)


    2013年諾貝爾生理及醫學獎得主這三位獲獎的細胞學家發現了這些「囊泡」是如何在正確的時間運輸到正確地點的機制。

1. 蘭迪•謝克曼發現一系列囊泡運輸的調節基因。

(discovered a set of genes that were required for vesicle traffic.)




04. 2013年諾貝爾生理醫學獎得主之一蘭迪•謝克曼(Randy W.Schekman)研究酵母菌的突變種,發現調節囊泡運輸的一系列關鍵基因以及基因表現的相關蛋白質(Sec61 translocation complex COPII vesicle coat complex etc)





05. 2013年諾貝爾生理醫學獎三位得主,研究細胞囊泡傳輸機制。


2. 詹姆斯•羅斯曼發現了負責接受囊泡的蛋白複合體(SNARE蛋白等)闡明囊泡與目標進行融合、使分子得以運轉的蛋白質機制。運達目的地之後,需要一個識別代碼,保證囊泡在正確的碼頭卸貨,而囊泡內的貨物(cargo)能送達正確的「宿命」,這就是這些蛋白複合體的功能

(unravelled protein machinery that allows vesicles to fuse with their targets to permit transfer of cargo.)




06. 此圖是SNARE蛋白與囊泡(vesicles)在胞泌作用時相互作用的全部過程。

(1)(5)SNARE蛋白複合體→組合(assembly)→鍊合(zippering) →分離(disassembly)之過程。

SNARE蛋白是SNAP (Soluble NSF Attachment Protein) Receptor的縮寫,在酵母菌最少有24SNARE蛋白;在哺乳動物超過60種。SNARE蛋白的主要功能是,調節囊泡與標的物膜的融合。


3. 托馬斯•聚德霍夫則揭示了指囊泡確釋放貨物的信號機制。

突觸傳導(Synaptic Transmission)是大腦活動的基本組成,決定了大腦的功能及作用。聚德霍夫最終成功地識別出突觸傳導的精確機制,以及所涉及的各組蛋白質,揭示它們在神經訊息傳遞扮演的角色。

(revealed how signals instruct vesicles to release their cargo with precision.)





07. 2013年諾貝爾生理醫學獎得主之詹姆斯•羅斯曼(James E.Rothman)

以及托馬斯•聚德霍夫(Thomas C.Sudhof)之貢獻。





08. 神經元(Neuron)的的螢光顯微鏡照片。

細胞本體(Soma);一個神經元軸突(Axon)僅有一條;樹突(Dendrites)可以有許多條。





09. 神經元之間,軸突末梢(Axonal terminal);突觸間隙(Synaptic cleft);樹突(Dendrite)三者之間的互動關係。

1動作電位到達軸突末梢(Action Potential Arrival)

2軸突末梢電壓調節的鈣通道開啟(Voltage-gated Ca+2 channel open)

3含神經傳導物質的胞囊胞泌作用(Synaptic vesicle with neurotransmitter exocytosis)

4神經傳導物質與突觸後細胞膜的接受器結合(neurotransmitter bind with postsynaptic membrane receptor)

以上為馬斯•聚德霍夫(Thomas C.Sudhof)研究的一個大概,實際上的步驟要比這複雜許多。(e.g., RIMs, α-liprins, ELKS's, RIM-BPs, Piccolo/Bassoon, and Munc13's)


參考資料:

1. Budding Vesicles in Living Cells

James E. Rothman & Lelio Orci

Scientific American march 1996

2.  


YOUTUBE DOWNLOAD之囊泡在植物根毛中的移動的螢光攝影,螢光攝影的時間很短,大約只有一兩秒鐘,彌足珍貴。

3. Directing TrafficHow Vesicles Transport Cargo


此文章中有三段螢光攝影影片,可動態觀賞胞泌作用(Exocytosis);細胞內囊泡之移動…


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