细胞的“快递员”——囊泡——2013年诺贝尔生理学或医学奖

在电子商务高度发达的今天，快递员在各地的大街小巷中穿梭．把包裹为人们快递到家。在我们身体内。也有不少“快递员”在忙忙碌碌地输送着各种物质，有的是营养物，有的是垃圾，有的甚至是毒素。其中有一类“快递员”专门帮助细胞运输物质，这个“快递员”的名字叫囊泡。囊泡究竟是怎样运输物质的呢？美国和德国的共三位科学家对此进行了深入研究．他们因此获得了2013年生理学或医学奖。这三位科学家分别是美国生物学家詹姆斯·罗斯曼、兰迪·谢克曼和德国生物化学家托马斯·祖德霍夫。     

走近诺贝尔奖(四) 细胞的“快递员”——囊泡

<正>生物体内细胞的正常运转有赖于让正确的分子在正确的时间抵达正确的位置。美、德两国的三位科学家因为发现细胞内的运输机制而获得2013年诺贝尔生理学或医学奖。在物流高度发达的今天,快递员正在各地的大街小巷中穿梭,把包裹按时为人们准确快递到家。其实,在我们身体内,也有不少"快递员"在忙忙碌碌地输送着各种物质,有的是营养物,有的是垃圾,有的甚至是毒素。其中有一类"快递员"专门帮助细胞运输物质,这个"快递员"的名字叫"囊泡"。     

走迈诺贝尔奖(四)细胞的“快递员”——囊泡

在物流高度发达的今天,快递员正在各地的大街小巷中穿梭,把包裹按时为人们准确快递到家.其实,在我们身体内,也有不少“快递员”在忙忙碌碌地输送着各种物质,有的是营养物,有的是垃圾,有的甚至是毒素.其中有一类“快递员”专门帮助细胞运输物质,这个“快递员”的名字叫“囊泡”.     

聚合物囊泡及其形成机理

聚合物囊泡因其独特的结构和应用背景以及作为高分子物理和软物质物理的理想模型体系得到了人们的广泛关注.本文综述了嵌段共聚物通过自组装所形成囊泡的结构、性质及其应用,并重点介绍了囊泡形成的动力学过程及其物理机制,其目的是使人们更有效地通过物理手段调控聚合物囊泡的结构及其形成过程.     

非均相膜、非对称冠及膜冠融合高分子囊泡

高分子囊泡是通过自组装构筑的具有"空腔-内冠-膜层-外冠"结构的纳米材料,在药物控释、基因递送、细胞仿生、抗菌和癌症诊疗等领域具有重要的应用前景.然而,传统高分子囊泡具有对称的内外冠结构、均一且致密的疏水膜,以及相对离散的膜冠功能分区,不能充分发挥囊泡的结构优势,进而难以应对生物医用过程中所面临的种种挑战,如基因治疗中大分子的跨膜运输,癌症诊疗中对内冠诊断、外冠靶向的差异化要求,细菌感染治疗中对膜冠协同、高效抗菌的需求等.因此,我们提出并设计了非均相膜囊泡、非对称冠囊泡、膜冠融合囊泡,针对性地解决了以上3个难题,为设计、合成新结构高分子囊泡,并推动其转化应用提供了新思路.本文总结了以上3种新结构囊泡的研究进展,并提出了设计生物医用高分子囊泡的原则.     

植物膜蛋白的囊泡转运及调控机制的研究进展

膜蛋白的囊泡转运对维持植物的生长发育、细胞内外的物质交换、细胞识别、免疫应答、信号转导等生物学过程具有重要的生理学意义.近年来,随着超分辨显微技术和蛋白标记方法的更新和进步,对膜蛋白转运相关机制的研究也取得了很大进展.尽管当前对囊泡转运机制的研究手段或技术方法有很多,但关于膜蛋白囊泡转运途径及其研究技术方法缺少系统的总结.本综述首先介绍了膜蛋白囊泡转运所涉及的相关细胞器,全面总结了植物膜蛋白的不同囊泡转运途径,并在此基础上,系统概括了研究植物囊泡转运所使用的化学方法和突变体;最后,展望了植物膜蛋白囊泡转运途径中的研究前景,以期为了解和阐明植物体如何感知及适应环境的调控机制提供一定的思路和见解.     

利用TIRFM技术检测PC12细胞中类突触小囊泡的锚定和融合特性

受到广泛关注的神经递质的释放是通过突触囊泡与突触前膜的融合完成的.通过对单个囊泡动力学的分析发现,在突触囊泡分泌过程中除了"完全融合"(full fusion)模式外,还存在着"部分融合即离开"(kiss and run)和"部分融合且停留"(kiss and stay)两种融合模式.在神经元受到强烈刺激时,这两种分泌模式尤为重要.同时突触囊泡融合前的转运、锚定、激活过程在神经递质的释放和调节过程中起着很关键的作用.在高K 刺激下的PC12细胞中,我们运用全内反射荧光显微镜(total internal reflection fluorescence microscopy,TIRFM)技术,通过VAMP2-pHluorin和VAChT-TDimer2双色荧光成像的方法跟踪类突触小囊泡(synaptic vesicle-like microvesicles,SLMVs)的锚定和融合过程.结果表明,在高K 刺激的PC12细胞中,部分融合即离开这种分泌模式占主导地位,同时发现在高K 刺激下SLMVs在细胞膜上的停留时间增加了,说明被激活囊泡的囊泡数量增加.     

葛根素与卵磷脂囊泡的相互作用

通过紫外可见光谱、红外光谱、Zeta电势和量子力学从头算等方法研究了生理条件下(pH 7.4) 葛根素与卵磷脂囊泡的相互作用. 结果表明, 在卵磷脂囊泡体系中, 葛根素能与囊泡发生显著的相互作 用, 葛根素主要以分子中的B环部分定位于囊泡的疏水微区中, 并且卵磷脂体系有利于葛根素分子的酸碱平衡向去质子化的方向移动. 葛根素分子上的羟基与磷脂分子的极性头基在膜/水界面上形成的氢键结构增强了卵磷脂双层膜的规整性和稳定性, 从而导致磷脂膜的流动性和渗透性的降低.     

无盐囊泡相结构及其模板效应

表面活性剂体系囊泡相的构筑、结构、形成规律和形成理论的研究是表面活性剂领域的研究热点之一. 无过量盐存在的阴/阳离子表面活性剂混合体系完全不同于阴/阳离子表面活性剂等量混合的含盐体系, 有其独特的性质. 结合我们自己的研究结果, 对无盐屏蔽的表面活性剂阴/阳离子混合体系形成的囊泡相的结构、性质进行了论述, 重点介绍了二价金属离子作为反离子的表面活性剂体系在水及室温离子液中所形成的囊泡聚集体, 以及其作为模板在纳米材料制备中的效应的初步探索.     

囊泡的自发形成——两类表面活性剂复配

开展十二烷基磺基甜菜碱(DSB)与双(2-乙基己基)琥珀酸磺酸钠(AOT)复配体系研究, 发现在某些配比下能自发形成囊泡, 并用负染色法TEM、冷冻蚀刻TEM、量热、动态光散射等方法进行表征. NaCl的加入可以促进囊泡的形成, 并得到了分散度小于0.1的单分散的囊泡, 这种现象尚未见有关文献报道. 同时开展该体系囊泡形成过程的量热研究, 发现单分散体系的热效应最大. 最后从表面活性剂分子排列参数、结构、构象和相互作用的角度对囊泡形成的机理进行了探讨.     

利用TIRFM技术检测PC12细胞中类突触小囊泡的锚定和融合特性

受到广泛关注的神经递质的释放是通过突触囊泡与突触前膜的融合完成的．通过对单个囊泡动力学的分析发现，在突触囊泡分泌过程中除了“完全融合”（fullfusion）模式外，还存在着“部分融合即离开”（kissandrun）和“部分融合且停留”（kissandstay）两种融合模式．在神经元受到强烈刺激时，这两种分泌模式尤为重要．同时突触囊泡融合前的转运、锚定、激活过程在神经递质的释放和调节过程中起着很关键的作用．在高l（＋刺激下的PCI2细胞中，我们运用全内反射荧光显微镜（total internal reflection fluorescence microscopy，TmFM）技术，通过VAMP2．pHluorin和VAChT-TDimer2双色荧光成像的方法跟踪类突触小囊泡（synaptic vesicle-1ike microvesicles，SLMVs）的锚定和融合过程．结果表明，在高K^＋刺激的PC12细胞中，部分融合即离开这种分泌模式占主导地位，同时发现在高K^＋刺激下SLMVs在细胞膜上的停留时间增加了，说明被激活囊泡的囊泡数量增加．     

Al3+-配位作用诱导的囊泡相

合成了表面活性剂月桂酸铝[(C₁₁H₂₃COO)₃Al], 对其与非离子表面活性剂十四烷基二甲基氧化胺(C₁₄DMAO)混合体系在水溶液中的相行为进行了研究, 观察到了Lα-相, 并利用偏光显微镜(POM)和透射电子显微镜(TEM)确认了多层囊泡的存在. 该囊泡相的形成是Al³⁺的金属配位作用所导致的, 此类配位囊泡相可被用作无机纳米材料制备的前驱体.     

细胞囊泡运输系统与人类健康——2013年诺贝尔生理学或医学奖简介

人类对健康的孜孜以求推动了生命科学领域的不断创新和发展,从20 世纪80 年代兰迪·W?谢克曼(Randy W. Schekman)和詹姆斯?E?罗斯曼(James E. Rothman)分别对酵母细胞进行研究,通过生物电镜观察到囊泡运输系统并给出定义,到托马斯?C?苏德霍夫(Thomas C. Südhof)在神经细胞突触传导中证实了囊泡运输系统的时空调控性,囊泡运输系统作为细胞的基本组成,受到了越来越深入的研究。囊泡运输系统经由精密的调控广泛地参与诸多生命活动过程,与多种生命现象相关,囊泡运输系统障碍可能导致多种人类疾病,深入透彻地理解这些生物学现象和作用机制,对于攻克人类疾病,保障人类健康具有十分深远的意义。     

细胞外囊泡及其在疾病诊疗中的应用

细胞外囊泡(extracellular vesicles, EVs)是细胞分泌的一种脂质囊泡,尺寸介于30～5000 nm.通过不同的发生机理, EVs可以形成微囊泡体(microvesicles)、凋亡小体(apoptotic bodies)和外泌体(exosomes)等.它们通过携带母细胞的不同脂质、蛋白质和核酸等活性成分来靶向附近或远端细胞,在细胞的信息交流及生理病理过程中均具有重要作用. EVs在生物体系内广泛存在,其生物学功能也越来越多地被认识,或许正在成为一个"细胞外囊泡生物学"领域.对EVs性质的认识也促进了相关应用研究,涉及疾病诊断、治疗和药物运送等.本文重点阐述了EVs的生物起源、生物组成、生物学特性、生物学功能、制备和表征手段,并针对EVs在疾病诊疗中的应用所面临的问题开展讨论.可以预期,对EVs形成和调控机理的深入认识,一方面有助于我们更好地理解EVs的生物学功能、异质性和功能多样性;另一方面有可能基于这些知识来解决EVs开发应用中的瓶颈问题.     

膜脂与紫膜蛋白相互作用

天然紫膜中的菌紫质（BR）分别重组到不同膜脂环境的脂质囊泡中,通过冰冻蚀刻电子显微镜观察、菌紫质在囊泡中旋转扩散和吸收光谱的 及吸收随时间的变化,研究了3种不同膜脂环境对脂质囊泡中BR分子结构和功能的影响,实验结果表明：在目前的脂质囊泡制备过程得到的样吕中,二豆蔻酰磷酯酰胆碱（dimyristoylphosphatidylcholine,DMPC）是BR分子的稳定脂环境,卵－磷脂酰胆碱（egg-phosphatidylcholine,卵－PC）会使BR脱生色团视黄醛,产生了不可逆的变化,胆固醇可以稳定脂环境中的BR分子,但会使BR分子产生凝聚作用。     

铝抑制拟南芥根尖PIN2循环和囊泡运输

铝对植物毒害作用最明显的症状是迅速抑制根尖生长. 然而, 铝抑制根尖生长的机制并不清楚. 本文研究了铝对生长素和生长素运输载体(PIN2)囊泡运输的影响. 结果表明, 铝抑制拟南芥根尖生长素运输, 其中过渡区生长素抑制率最高, 达66%. 布雷菲尔德菌素(Brefeldin A, BFA, 一种囊泡运输抑制剂)明显诱导PIN2囊泡在细胞内形成点状结构, 铝处理降低点状结构的大小, 表明铝抑制PIN2囊泡在细胞内的运输. 实时定量PCR和蛋白印迹反应发现, 铝增加PIN2基因的转录表达, 促进PIN2蛋白在细胞膜水平方向累积. 细胞骨架解聚药物处理表明, 铝抑制PIN2囊泡的运输, 主要通过破坏肌球蛋白微丝来完成. 铝处理下, 拟南芥根尖伸长区细胞比过渡区具有较少的铝吸收和较低的囊泡运输频率. 上述结果表明, 通过调节生长素运输载体(PIN2)在质膜与胞内移动, 阻碍生长素的运输, 铝抑制了拟南芥根尖的生长.     

A/SDS复配体系中管状结构的自发形成

利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和动态光散射(DLS),研究了磷酸三酯(PTA)与十二烷基硫酸钠(SDS)混合体系在水溶液中囊泡的自发形成及其向管状结构的转化.当PTA/SDS摩尔比为3︰7,总浓度为0.01mol/L时,观察到球状囊泡聚结成直径约100nm,长度约7000nm的管状结构.而且管状结构的直径、长度及数量均随表面活性剂总浓度及样品放置时间的增加而显著增长.     

PTA/SDS复配体系中管状结构的自发形成

利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和动态光散射(DLS), 研究了磷酸三酯(PTA)与十二烷基硫酸钠(SDS)混合体系在水溶液中囊泡的自发形成及其向管状结构的转化. 当PTA/SDS摩尔比为3︰7, 总浓度为0.01 mol/L时, 观察到球状囊泡聚结成直径约100 nm, 长度约7000 nm的管状结构. 而且管状结构的直径、长度及数量均随表面活性剂总浓度及样品放置时间的增加而显著增长.     

大气CO2浓度倍增对植物根系表面积和泡囊-丛枝菌根侵染活力和强度的影响

以小麦、大豆和玉米幼苗为材料，应用最新的根研究方法，首次检测了大气ＣＯ２浓度倍增对根系表面积和泡囊－丛枝菌根（ＶＡＭ）真菌的侵染强度和活力的影响，结果表明倍增ＣＯ２显著增加根系表面积，并显著提高ＶＡＭ真菌的侵染强度和活力，但这些响应在物种之间存在很大差异。根的这些牧场 生可能影响未来全球气候变化时植物群落的演替。     

大气CO_2浓度倍增对植物根系表面积和泡囊-丛枝菌根侵染活力和强度的影响

以小麦、大豆和玉米幼苗为材料 ,应用最新的根研究方法 ,首次检测了大气CO2 浓度倍增对根系表面积和泡囊 丛枝菌根 (VAM )真菌的侵染强度和活力的影响 ,结果表明倍增CO2显著增加根系表面积 ,并显著提高VAM真菌的侵染强度和活力 ,但这些响应在物种之间存在很大差异 .根的这些特性可能影响未来全球气候变化时植物群落的演替 .