2013年艾伯特·拉斯克基础医学研究奖

·学术先锋·

2013年艾伯特·拉斯克基础医学研究奖

2013年艾伯特·拉斯克基础医学研究奖授予两位发现了大脑活动下快速神经递质释放过程的科学家，来自基因泰克公司(Genetech)的Richard H. Scheller和来自斯坦福大学医学院的Thomas C. Südhof，他们在研究工作中鉴别并分离出了反应的关键因素，阐明了该过程基本机制的核心环节，破解出细胞是如何在极高精度下工作的。这些研究工作为了解某些恶性疾病如何影响人类以及人类正常的学习和记忆功能搭建了一个分子级的研究框架。

Richard H.Scheller

Thomas C.Südhof

在上世纪50年代，已故的伯纳德·卡茨爵士(Sir Bernard Katz)发现细胞能释放出固定剂量的神经递质，随后则有人在电子显微镜下对此进行了研究并阐述。固定剂量的化学递质被储存在像气球一样的囊泡内。钙离子通过刺激这些脂质囊泡并与包裹着神经递质的细胞膜融合后，细胞膜就释放出包含的神经递质。

神经间传递的速度是惊人的快，钙离子能在不到1 ms的时间内迅速进入神经细胞并释放出神经递质传给下一个神经元。

虽然Südhof和Scheller早已开始着手这个研究计划，但是在分子层面上的研究还并未有哪个科学家涉足。没人知道是什么驱使小囊去融合细胞膜，或者钙离子是怎么推动神经递质的传递的。

细胞膜里的影响因素

在上世纪80年代末，Scheller和Südhof分别独立地提出要揭开神经递质传导过程的分子基础。基于神经末梢内包括反应的各个元素的推论，科学家决定分离提纯并描述出这些元素。最开始Scheller瞄上了囊泡，后来他在斯坦福大学医学院通过电子显微镜发现了那个最根本的能够融合各组织的东西：囊泡相关膜蛋白(VAMP)。次年，Südhof，在位于达拉斯的德州大学西南医学中心，从大鼠的脑组织中也分离出了同样的蛋白质，并命名为突触小泡蛋白(synaptotagmin)。

Südhof随后提纯和研究了另一个囊泡蛋白，突触结合蛋白。当有钙存在时，该蛋白即可结合细胞膜主要构成成分磷脂。Scheller将能结合大脑蛋白的突触结合蛋白命名为突触融合蛋白(syntaxin)。相反，突触小泡蛋白和VAMP/突触结合蛋白(Synaptobrevin)，突触融合蛋白浓缩在细胞膜内——神经细胞释放神经递质的那个区域集中。

与此相独立的是，来自耶鲁大学的James Rothman(拉斯克基础医学研究奖2002年度获奖者)研究了物质是如何跨过细胞膜被传送的。在这个传输过程中，输送物质的小泡也是通过融合目的细胞的细胞膜来传送内容物的。Rothman提出在应用活酵母细胞进行该实验时发现，传输时必须有一种被称为NSF的蛋白质，通过另一种蛋白质和尚未明确的受体才能附着于细胞膜。这些他发现并假定存在作用的蛋白质，被命名为SNAREs(陷阱)。

为了能分离出这些蛋白质，Rothman在大鼠大脑里通过寻找与NSF对接的受体来寻找。结果有三种蛋白质被捕获：VAMP/突触结合蛋白，突触融合蛋白，和SNAP-25，一种已被确认的存在于神经末梢细胞膜的蛋白。

为研究这三种蛋白，Rothman设计了两种不同的研究方案。结果显示，这些蛋白可以通过促进融合来促进神经递质的释放，但这也只是间接证据。同时，这些蛋白的生理功能有着明显的相互联系，并已从不同的方向进行了验证。

科学家们早已发现某些细菌毒素可以阻止神经传递，并在1992年由来自帕多瓦大学的Cesare Montecucco指出，肉毒杆菌和破伤风杆菌释放的毒素可以通过剪切下VAMP/突触结合蛋白的一块来阻断神经递质的释放。Montecucco、Südhof和来自哥廷根大学马克思·普朗克研究所的Reinhard Jahn的研究成果都表明，还有更多的神经毒素会去攻击突触融合蛋白和SNAP-25。这些观察证实了三种蛋白在神经传递中至关重要。细胞融合的机制尚不明确，但是，已经清楚的是该过程须有钙离子触发才能发生。

探索融合机制

之前的研究工作表明VAMP/突触结合蛋白、突触融合蛋白和SNAP-25可以促成NSF聚集，而不涉及它们是否是分别或一起做的。在1993年，Scheller在与Rothman的合作中，发现了VAMP/突触结合蛋白、突触融合蛋白和SNAP-25彼此稳定地形成一个所谓的“SNARE复合物”。他们的研究还发现NSF可以破坏该聚合物。科学家们后来意识到，这种现象有助于回收分子结构。

在此期间，研究人员解释了这些蛋白质之间的精确相互作用，并辨析了蛋白质之间如何相互关联可以促进细胞融合。Scheller发现，小泡上的VAMP/突触结合蛋白吸附结合在质膜上的突触融合蛋白，SNAP-25则负责帮它们配对。Scheller、Jahn和来自华盛顿大学圣路易斯分校医学院的John Heuser的不懈努力，与在其他研究工作中发现的VAMP/突触结合蛋白与突触融合蛋白形成互相缠绕住对方的线圈相结合，从而共同描绘出了细胞膜里的这些蛋白是如何嵌入的。来自耶鲁大学的Axel Brunger和Jahn在1998年报道高分辨率的VAMP/突触结合蛋白、突触融合蛋白和SNAP-25结构时确认并扩展了这些观点。他们认为蛋白质会像拉链一样结合在一起，配对成功后方能促使细胞膜融合。

控制机制

这些与其他的观察结果正在不断扩充细胞膜融合机制的基础，但是也在强调重要而未解决的问题。不受控制的反应会频繁发生，不断释放神经递质。尽管科学家们已经明确，只有钙离子才能激发神经递质释放，但是具体细节仍然很模糊。很明显，那就是在钙离子进入细胞和神经递质释放之间的这段极其短的时间内，不可能快速生成多蛋白的神经递质，一定有一个组织处于融合能力状态的极限，等待钙离子使其突破极限，所以推测应该还有能检测到钙离子的蛋白质存在。

Südhof表示对突触小泡蛋白的最初观察影响了他的视野，因为它们表现出这种蛋白质是钙离子依赖型的。他推测钙离子会激发它以便于融合。1993年，他发现了突触小泡蛋白的两个结合钙离子区域，且该区域的属性可使其有效地抓住细胞膜表面磷脂，这些结果支持了蛋白质是一种钙传感器的观点。

1994年，Südhof制作了不能产生突触小泡蛋白的大鼠模型。虽然这种大鼠在出生不久后即死亡，但从它们的胚胎里仍可分离出神经元进行研究。Südhof发现了神经元的核心融合机制具有融合功能，但对钙离子的刺激毫无反应。在精细实验组中，Südhof排除了突触小泡蛋白减少钙离子进入细胞的损失或某些其它外围物质阻碍钙离子感知的可能性，他制作了一系列大鼠模型，每只大鼠承载的突触小泡蛋白均具有改变钙离子亲和力的作用。

突触小泡蛋白的离子亲和力与神经传递的钙敏感性相关。比如，增加钙离子亲合力，就要减少大约相同量的促神经递质释放所需钙离子。这些研究结果证实了突触小泡蛋白具有钙传感器功能的观点。

与此同时，另一层的调整规律也浮出水面。Südhof发现了一种蛋白质，复蛋白(complexin)，能够很强地粘附VAMP/突触结合蛋白、突触融合蛋白和SNAP-25在一起。随后的研究证实，它在钙离子调节神经递质的释放中起了非常重要的作用。复蛋白与部分SNARE复合物结合在一起，可以引起细胞膜融合，但平时处于非激活状态，直到关键的一步发生——也即钙离子结合突触小泡蛋白并挤掉复蛋白——即可立即激活该反应。

医学意义

大脑内的通信影响着我们的思维方式和我们的认知感受。在这个过程中出现缺陷即可导致精神分裂症、抑郁症、双相性精神障碍，以及其它的病理状况。对这些疾病的研究尚未直接指向复合体本身融合的异常行为，但是科学家们已经开始发现在这些异常神经传导与严重疾病之间可能存在的关系。举个例子，α突触核蛋白，一种已被证实与帕金森病和其它神经变性疾病有关的蛋白质，在参与融合组织的机理中发挥了重大作用，还能使动物罹患不受年龄因素影响的神经疾病。Südhof和Scheller关注的与神经递质释放时必不可少的另一种蛋白质，它的缺陷与大田原综合征(一种严重的婴儿期癫痫病，可导致患儿癫痫和智力低下)密切相关。

通过系统地剖析和分析参与神经递质释放的蛋白质，Südhof和Scheller已经推进了我们对该过程从粗略的轮廓到一系列细致入微的分子级别的理解。他们的研究揭示了最简单和最复杂的神经生物学活动的症结里精心编排的谎言。

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