囊泡运输 -- 细胞内的 “ 物流系统 ”

1. 2013年诺贝尔生理和医学奖解读,上海科学会堂,2013/12/062013年诺贝尔生理和医学奖解读,上海科学会堂,2013/12/06 囊泡运输--细胞内的“物流系统” 罗振革 中科院上海神经科学研究所

2. 典型动物细胞结构 细胞（英文：Cell）是一切生物体结构和功能的基本单位。它是除了病毒之外所有具有完整生命力的生物的最小单位，也经常被称为生命的积木。

3. 胞内运输系统 BonifacinoJS and Glick BS, Cell 2004

4. 细胞需要在正确的时间把正确的分子运输到正确的位置，细胞需要在正确的时间把正确的分子运输到正确的位置， 该任务通常由被称为“囊泡”运输工具完成

5. 囊泡运输赢得了2013年诺贝尔生理学或医学奖 James Rothman Yale University Randy Schekman UC Berkeley Thomas Südhof Stanford University “由于他们在细胞内物质运输机理方面的工作”

6. 囊泡运输的前夜 乔治·埃米尔·帕拉德，现代细胞生物学的奠基者，有史以来最有影响的细胞生物学家 1974年诺贝尔生理学和医学奖获得者 提出囊泡运输假说 The prize was granted for his innovations in electron microscopy and cell fractionation which together laid the foundations of modern molecular cell biology.,the most notable discovery being the ribosomes of the endoplasmic reticulum – which he first described in 1955.

7. 囊泡运输的前夜 “Further understanding of the secretory process is now becoming dependent on adequate information on the chemistry of these membranes and on the reactions involved in their interactions.” --George E. Palade, 1974 深入了解细胞分泌机制依赖于了解这些膜组分的化学特性 以及各种膜泡之间的作用机理

8. 囊泡运输之花开两朵,殊途同归 Randy Schekman James Rothman 采用酵母遗传学 研究囊泡运输 采用体外生化反应 研究物质在膜之间的运输

9. Randy W. Schekman生平： 1948年出生于美国明尼苏达州St Paul 美国加洲大学洛杉矶分校本科 斯坦福大学博士（1974年）, 师从Arthur Kornberg (Nobel Prize 1959for the discovery of DNA polymerase I). 1976年—至今，美国加洲大学伯克力分校（UC Berkeley)分子细胞生物学系教授.

10. Schekman利用酵母这一单细胞生物研究囊泡运输的调控机制Schekman利用酵母这一单细胞生物研究囊泡运输的调控机制 • Novick, P., and Schekman, R. (1979). Secretion and cell-surfacegrowth are blocked in a temperature-sensitive mutant of Saccharo- myces cerevisiae. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 76, 1858–1862. • Novick,P., Field, C., and Schekman, R. (1980). Identification of 23complementation groups required for post-translational events inthe yeast secretory pathway. Cell 21, 205–215.

11. 囊泡出芽与融合的过程 Steps of Vesicle Budding and Fusion BonifacinoJS and Glick BS, Cell 2004

12. James E. Rothman生平： • 1950年, 出生于美国麻省Haverhill • 1976年，哈佛大学医学院博士； • 麻省理工（MIT)博士后； • 1978年，斯坦福大学开始研究细胞囊泡问题； • 曾经在普林斯顿和哥伦比亚大学工作； • 2008年，耶鲁大学教授，任细胞生物学系主任 在斯坦福期间Kornberg对Rothman科学生涯产生重要影响： “From Kornberg I learned two critical things at a critical time: how to formulate the strategy for a successful biochemical dissection of a complex system; and a deep faith that no matter how complex the problem, biochemistry would (eventually) succeed and would indeed provide the only sure route to the underlying molecular mechanisms.”----James E. Rothman 2002 Nature Mediclne

13. James E. Rothman作为医学生时感兴趣的科学问题: How couldcells make vesicles from membranes? How could each vesicleknow where to go? How could it fuse? 博士和博士后的训练奠定了基础 PhD thesiswith Eugene Kennedy established how the lipid bilayer is formed by asymmetric biosynthesis. “My year or so as a postdoctoralfellow with Harvey Lodish (at the Massachusetts Institute of Technology) was short but formative. Lodishtaught me how to work with viruses and complex cell-freesystems (translocation across membranes coupled to proteinsynthesis) and (frankly) how a large laboratory can be runboldly and energetically.”----James E. Rothman 2002 Nature Mediclne

14. James E.Rothman建立的研究物质运输的简单实验系统 水泡性口膜炎病毒 (VSV) GlcNAc: N-乙酰葡糖胺 Fries, E. & Rothman, J.E. Transport of vesicular stomatitis virus glycoprotein in a cell-free extract. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 77, 3870–3874 (1980). Block, M.R., Glick, B.S., Wilcox, C.A., Wieland, F.T., and Rothman, Purification of an N-ethylmaleimide-sensitive protein catalyzing vesicular transport. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85, 7852- 7856 (1988).

15. NSF以及SNARE的发现 James Rothman的贡献 NSF: N-乙基马来酰亚胺敏感因子 SNAP: soluble NSF-attachment protein

16. 酵母的Sec18是NSF同源蛋白 Sec17是SNAP的同源蛋白 SNARES: soluble NSF-attachment protein receptors BonifacinoJS and Glick BS, Cell 2004

17. 囊泡融合的SNARE假说 James E. Rothman 2002 Nature Mediclne

18. SNARE介导膜融合的“拉链”模型 Thomas C. Südhof and James E. Rothman 2009 Science

19. 囊泡融合的调节 Thomas Südhof的贡献 Started his laboratory in 1986at the University of Texas Southwestern in Dallas

20. Thomas C. Südhof生平 • 1955年出生于德国Göttingen • 1982年Georg-August-Universität获得MD学位并于同年获得该校神经化学博士学位 • 1983年，美国德州大学西南医学中心，作为Michael Brown和Joseph Goldstein的博后（二人于1985年获得诺贝尔生理学或医学奖, 由于胆固醇代谢机理的贡献） • 1986年, 建立自己独立实验室 • 1991年成为霍华德•休斯医学研究院研究人员 • 2008年, 斯坦福大学分子与细胞生理学教授

21. 神奇的大脑 • 人的大脑有100多亿个神经细胞 • 人的一生能凭记忆储存100万亿条信息 • 人脑的神经细胞回路比今天全世界的电话网络还要复杂1400多倍 • 每一秒钟，人的大脑中进行着10万种不同的化学反应 • 人的大脑平均为人体总体重的2%，但它需要使用全身所用氧气的25%，相比之下肾脏只需12%，心脏只需7% • 人体内有45英里的神经

22. 大脑是由1012不同种类的神经细胞组成，通过1015 突触形成有功能的各种神经网络 各种形态的神经元 神经网络 突 触 树突 突触 轴突

23. 囊泡融合的调节前奏 Katz阐明了突触传递的细胞学基础 • 动作电位到达末梢与出发乙酰胆碱释放之间的连接因子是钙离子; • 乙酰胆碱的释放不是在短期間內將个別的乙酰胆碱分子一个一个连续的释放，而是将它们储存于一个个包裹內，当动作电位来时整个包裹内的時整個包裹內的乙酰胆碱分子会同时集体的被释放到突触间隙，这样的乙酰胆碱（神经递质）分子包裹，卡茨称它為一個量子（quantum）; • 动作电位到达神经末梢时，并不必然会触发量子的释放，其释放与否有固定的几率，当涌入細胞（神经末梢）內的钙离子愈多，則量子被释放的机率就愈高。 Bernard Katz 伯纳德·卡茨 Born in Germany, 26 march, 1911 Awarded Nobel Prize, 1970 由于神经元间化学性讯息传递的机制研究

24. 囊泡融合的调节 Thomas Südhof的贡献 BernardKatz的递质释放的囊泡假说引发了以下几个问题： • How do the synaptic vesicle and the plasma membrane fuse during transmitter release? • 2. How does calcium trigger synaptic vesicle fusion? • 3. How is calcium influx localized to release sites in order to enable the fast coupling of an action potential to transmitter release? Thomas Südhof等人经过几十年的研究完美地回答了以上问题

25. 囊泡融合的调节 Thomas Südhof的贡献 • How do the synaptic vesicle and the plasma membrane fuse during transmitter release?

26. 囊泡融合的调节 Thomas Südhof的贡献 2. How does calcium trigger synaptic vesicle fusion?

27. 囊泡融合的调节 Thomas Südhof的贡献 3. How is calcium influx localized to release sites in order to enable the fast coupling of an action potential to transmitter release?

28. 诺贝尔奖之囊泡运输工作总结 • Randy Schekman利用遗传学方法，在酵母细胞中筛选出了一系列囊泡运输相关分子，阐明了囊泡出芽的过程和机制； • James Rothman利用生物化学体外重建的方法，揭示了囊泡融合的分子机制； • Thomas Südhof完善了囊泡（尤其是突触囊泡）融合的机理，揭示了囊泡融合的可调控性，证明了囊泡融合的功能。

29. 该工作与疾病的相关性 • 囊泡转运是细胞生理的基本过程； • 货物如何精确在胞内细胞器之间以及向胞外运输； • 基本原理在低等生物和人都是保守的； • 该过程对于神经递质，激素以及免疫细胞因子的释放都起作用； • 囊泡运输缺陷导致神经，免疫系统疾病以及糖尿病； • 因此，该项研究与人类健康息息相关。

30. 囊泡运输缺陷相关的人类疾病 Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

31. 囊泡运输缺陷相关的人类疾病 Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

32. 囊泡运输缺陷相关的人类疾病 Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

33. 囊泡运输缺陷相关的人类疾病 Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

34. 囊泡运输缺陷相关的人类疾病 Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

35. 囊泡运输缺陷相关的人类疾病 Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

36. 囊泡运输缺陷相关的人类疾病 Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

37. 囊泡运输缺陷相关的人类疾病 Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

38. 囊泡运输缺陷相关的人类疾病 Gareth J. Howell et. al. 2006, International Review of Cytology

39. 诺奖的启示 • 科学传承—站在前人的肩膀上 • 重要科学问题—敏锐的洞察力 • 扎实的训练—名师与殿堂 • 科学氛围—团队和领袖 • 科学的方法论—简单、精美而高效的研究系统 • 多年的坚持—兴趣是驱动力 • 科学规划与自由探索

40. 研究背景:轴突发育需要细胞膜的极性插入 Plasmalemmal precursor vesicles (PPVs) during early neurite elongation Pfenninger KH 2009 Nature Reviews Neuroscience

41. 发现轴突发育细胞膜转运机制： --抑癌蛋白Lgl1通过激活Rab10促进细胞膜的极性插入 --Rab10是PPV的标志分子 • Both Lgl1 and Rab10 are required for axon development • Lgl1 promotes axon development through Rab10 • Lgl1 promotes membrane localization of Rab10 by releasing Rab10 from GDI • Lgl1-Rab10 system promotes directional membrane insertion during axon development Wang T., Liu Y., et al. Dev. Cell 2011,21:431

42. PPV的特征和分子组成 Paramagnetic beads coated with purified Lgl1 protein were incubated with cortical neuron postnuclear supernatant Identity of Lgl1-associated vesicle Negative: Rab5 (early endosome) Rab11 (recycling endosome) VAMP2 (synaptic vesicle) Bip (Endoplasmic Reticulum) Positive: Rab10 TGN38 (trans-golgi network) TrkB, Frizzled7, IGFR (growth factor receptors) Dvl, Par3, Par6, aPKC (polarity proteins) Wang T., et al Dev. Cell 2011

43. 关于PPV发生 发现Myosin Vb在Rab10-PPV从TGNfission过程中起关键作用, 改变了以前Myosin主要负责物质运输的认识。 Hirokawa N et al Neuron 2010 Control siMyosinVb

44. Retinal ganglion cells as a model to study axon development Ath5-mcherry fish 2dpf By Yang Liu

45. TAT-exon D injection causes loss of optic nerves LiuY., et al Nat. Commun. 2013

46. PPV如何形成？ • PPV如何沿着轴突运输？ • PPV如何与膜融合？ • PPV对轴突发育的影响？ Almeid CG et al. Nat. Cell Biol. 2011

48. 谢 谢！