2013諾貝爾生醫獎
─破解細胞傳輸系統之謎
2013年諾貝爾生醫獎得主。
編譯│高英哲
2013 年諾貝爾生理學或醫學獎得主
已於十月七日出爐，由詹姆士．拉斯曼 (James E. Rathman) 、
藍迪．薛克曼 (Randy W. Schekman) 、
湯瑪士．居德霍夫
(Thomas C. Südhof) 三人共同得獎。
他們解開人體細胞如何調節傳輸系統之謎，
因而獲獎。
每個人體細胞都是一座工廠，
會製造分子並將其輸出。
舉例來說，人體細胞會製造出胰島素，
將其釋放到血液中，
還會在神經細胞中傳送一種稱為「神經傳遞質」
(neurotransmitter) 的訊號分子。
這些分子會包在一種叫做「囊泡」
(vesicle) 的
小包裡，在細胞周圍進行傳輸。
拉斯曼等三位科學家發現這種細胞間的傳輸方式，
如何能夠在正確時間，
將分子送到正確地點的箇中原理：
薛克曼發現與囊泡傳輸有關的一組必備基因；
拉斯曼揭開使囊泡與目標細胞融合，
以完成傳輸任務的蛋白質運作機制；
居德霍夫則是揭露訊號分子
如何使囊泡精確釋放內容物的奧祕。
他們三人共同揭露了人體細胞
如何透過優美的精確控制機制，
達到傳輸效果的過程；
這套系統若是受到干擾，
就會造成有害人體的影響，
導致神經疾病、糖尿病、
以及免疫系統疾病等等病症。
□ 細胞如何傳輸分子？
忙碌的大型港口需要建立一套系統，
以確保貨物能夠在正確的時間
運送到正確的目的地。
人體細胞也有類似的問題：
細胞各有不同的胞器 (organelles) ，
製造出荷爾蒙、神經傳遞質、細胞介素與酵素等等各式各樣的分子；
這些分子都必須在完全正確的時間點，
運送到細胞中的其他區域，
或是送到細胞外的其他地方。
掌握時地是關鍵所在。
圍繞在細胞膜周圍的迷你囊泡，
會在各胞器之間輸送分子，
或是跟外細胞膜融合，把分子釋放到細胞外。
這個功能相當重要，
傳輸神經傳遞質時會觸發神經活化，
傳輸荷爾蒙時則會觸發新陳代謝。
然而這些囊泡如何知道該在什麼時候，
把東西送到哪裡？
從塞車看出控制基因
薛克曼對人體細胞管理傳輸系統很感興趣，
在 1970 年代決定鑽研其遺傳原理。
他用酵母菌模擬傳輸系統，找出傳輸機制有缺陷，
會造成類似大眾運輸系統設計不良，
引起混亂局面的酵母菌細胞，
囊泡會在這種細胞的某些部位擠成一團。
薛克曼發現造成這種阻塞現象是遺傳造成的，
就繼續尋找突變基因，
找出控制細胞傳輸系統不同情況的三種基因，
為密切調節細胞囊泡傳輸的機制，
提供了新的見解。
□ 精確接合
拉斯曼對細胞傳輸系統的本質也很感興趣。
他在 1980 跟 1990 年代，
利用哺乳類細胞研究囊泡傳輸，
發現有一種蛋白質合成物，
可使囊泡與目標細胞膜接合融合；
囊泡跟目標細胞膜的蛋白質在融合過程中，
會像拉鍊兩側一樣彼此結合。
這種蛋白質有很多種，
只會以特定的方式組合起來，
如此便可確保分子可以送到精確的位置。
囊泡跟外細胞膜結合，釋放其內容物的原理，
跟在細胞內運作的情況是一樣的。
結果薛克曼在酵母菌裡發現的
某些蛋白質編碼基因，
跟拉斯曼在哺乳類身上發現的基因功效相當，
這顯示細胞傳輸系統在演化上其來有自，
淵遠流長。
這些基因合起來，
對應到細胞傳輸機制的關鍵功能。
□ 時機就是關鍵
居德霍夫則是對於大腦神經細胞
彼此如何溝通很感興趣。
與神經細胞外細胞膜融合的囊泡，
透過拉斯曼跟薛克曼發現的機制，
將負責傳遞訊息的神經傳遞質分子釋放出來，
然而這些囊泡只有在神經細胞傳送訊息
給鄰近的神經細胞時，才能夠把內容物釋放出來。
釋放動作
是怎麼以如此精確的方式控制進行的呢？
我們已知釋放過程跟鈣離子有關，
居德霍夫在 1990 年代，
於神經細胞內尋找對鈣非常敏感的蛋白質，
發現會對鈣離子流入產生反應的分子機制；
這機制會迅速引導鄰近的蛋白質，
使囊泡與神經細胞外細胞膜結合，
拉鍊一拉開，就會釋放訊號物質。
居德霍夫的發現解釋了
為何傳輸機制在時間上能夠做到如此精確，
囊泡的內容物如何一收到指令就釋放出來。
□ 囊泡傳輸的治病啓發
這三位諾貝爾獎得主
發現了細胞生理學的一大基本機制，
大大增進我們對於細胞內外
如何精確及時地遞送物質的了解。
酵母菌跟人類的囊泡傳輸與融合機制，
雖然有些共通之處，然而仍然不是同一回事。
這套系統對於各種生理機制相當重要，
舉凡大腦神經細胞發送訊號，
以及人體釋放荷爾蒙
以及免疫細胞介素等等囊泡融合過程，
都必須受到這套系統的控制。
囊泡傳輸若是出了問題，
就可能會造成好幾種神經與免疫病變，
以及糖尿病等等疾病。
要是沒有這套精確得不得了的控制機制，
細胞可是會亂成一鍋粥的唷！
○ 三位得主簡介：
1.拉斯曼於 1950 年生於美國麻州哈佛希爾市，
於 1976 年拿到哈佛大學醫學博士，
在麻省理工學院擔任博士後研究員，
然後在 1978 年前往史丹佛大學，
開始研究細胞囊泡。
拉斯曼也在普林斯頓大學、
史隆凱特林癌症紀念研究中心、
以及哥倫比亞大學服務。
他在 2008 年加入耶魯大學，
現任細胞生物學系教授暨系主任。
2.薛克曼於 1948 年生於美國
明尼蘇達州聖保羅市，
在加州大學洛杉磯分校與史丹佛大學求學，
唸的是拉斯曼幾年後加入的同一個系所。
在 1959 年諾貝爾獎得主亞瑟．孔恩伯格
(Arthur Kornberg) 指導下，
薛克曼於 1974 年獲得博士學位，
並於 1976 年加入加州大學柏克萊分校，
現任分子細胞生物學系教授。
薛克曼亦於霍華休斯醫學研究所擔任研究員。
3.居德霍夫於 1955 年生於德國哥廷根市，
在當地喬治奧古斯都大學求學，
於 1982 年獲得醫學博士學位，
同時拿到神經化學博士學位。
居德霍夫於 1983 年前往美國德州大學
西南醫學中心，
跟 1985 年諾貝爾生理學或醫學獎得主
麥可．布朗 (Michael Brown)
與約瑟夫．戈德斯坦 (Joseph
Goldstein) ，
一起擔任博士後研究員。
居德霍夫在 1991 年成為霍華休斯醫學中心的
研究員，並於 2008 年擔任史丹佛大學
分子暨細胞生理學教授。
參考資料：
責任編輯 Vita Chen
【2013諾貝爾快訊】生醫獎
─ 細胞囊泡運輸系統的奧秘
■《2013 諾貝爾醫學獎》於10月7日已公布：
是由美德三位科學家共享殊榮，
分別是美國的 James
Rothman和 Randy Schekman
以及德國 Thomas
Suedhof 。
三位科學家其研究成果解答了
細胞囊泡運輸系統的奧秘！
編譯│國立臺灣大學科學教育展中心
三位獲獎科學家分別貢獻為：
Randy
Schekman 發現調控液泡運輸的重要基因；
James
Rothman 發現蛋白質複合體
可以讓液泡與目標細胞膜融合，
進而在正確位置上釋放所運載的特殊分子；
Thomas
Suedhof 則研究大腦中
神經細胞傳遞信號，
揭示鈣離子之發生反應並觸發液泡融合。
維持細胞正常的功能
仰賴對的分子出現在對的時間與對的地方。
有一些分子，像是胰島素，需要出現在細胞外，
而一些其他的分子則需要出現在細胞內。
我們知道這些分子被細胞製造好
就被裝進囊泡內，但是這些裝好反應分子的液泡
是如何把標的分子送到正確的目的地，
這是一個謎。
Randy
W. Schekman發現
某些基因製造的蛋白質是調控囊泡運送的關鍵。
他比對正常與突變的酵母菌
在囊泡運輸的不同處，
分離出一些基因控制囊泡運送到不同的細胞隔室
或是細胞的表面去。
James
E. Rothman 發現一個蛋白複合物
可以使得囊泡與他們要到的目標膜相互融合。
囊泡上的一些蛋白質
可以使目標膜上的特異性蛋白複合物互補結合，
確保囊泡與目標蛋白融合在正確的位置上，
並將裡面所含的反應分子
傳遞到正確的目的地。
Thomas
C. Sudhof 則研究
如何將訊號傳遞物質從一個神經細胞傳遞到另一個，
並揭示鈣離子是如何調控這整個的過程。
他指出這整個運送過程會受鈣離子調控，
並觸發囊泡的融合。
這同時也解釋了
細胞如何準確地控制訊號傳遞物質的釋放時機。
參考資料
責任編輯
Vita Chen
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