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蜂窝通信的物流

利兹大学戴维Gershlick

在每种细胞中,蛋白质被连续制成和同化到复杂生物体的细胞中。合成后,蛋白质通过细胞机械的复杂音乐会判断,以呈现它们适当的作用。真核细胞可以大致分为几个不同的子部分。被液体膜包围,类似于球囊的橡胶,细胞含有水性分子汤,其进一步伴随着膜状子室(称为细胞器)。这些细胞器形成具有不同角色和特征的专业环境。蛋白质在膜周边或整个细胞中填充膜内的功能。组织这些过程是一种多方面的任务,具有许多需要将特定蛋白质提供给特定目的地的组件。

科学家选择解开这些现象有一个复杂的任务。早期的技术允许细胞被切成薄片,成象或劈开和分离。1974年诺贝尔奖得主乔治·帕拉德将观察到的结构与特殊功能结合起来。Palade面对一组令人不安的细胞横截面,想要了解蛋白质是如何离开细胞的。该方法包括在新合成的蛋白质中加入放射性元素,然后检查放射性蛋白质在不同时间点的位置。本质上,蛋白质通过细胞的路线被追踪。这些观察结果为分泌途径作为细胞器的功能系统的引入奠定了基础。

在接下来的几年里,许多概念突破。一个这样的事件是“涂层囊泡”的分离和表征。囊泡是从一个细胞器穿梭到另一个细胞器的小球形隔室。填充有蛋白质和其他组分,它们提供了用于运输蛋白质的机制,而不必穿过膜。囊泡萌芽/融合事件的特点是在体外从孤立的细胞器重建。这些小泡发芽、迁移和融合的速度出人意料地高。曾经有人计算过,在哺乳动物细胞中,大约每秒有155个特定类型的囊泡出芽。细胞是活的,有数百个独立的囊泡,有时通过整个细胞来传递有价值的内容物。

在七十年代后期的研究人员意识到,有一种等待被发现的血清功能蛋白。酵母是这项工作的完美生物体。它们是单细胞,基因组比哺乳动物或植物更简单,但似乎是复杂的蜂窝结构。酵母遗传学家在接下来的20年里带来了几个关键研究,所有这些都是共同的原则。随机突变并筛选整个酵母种群的基因组,以寻找蛋白质分选缺陷,以及分离的负责突变。虽然研究中有一定程度的重叠,但经常发现新的必需蛋白。这些方法鉴定了大量的效果,允许阐明特定方法的机制。

据了解,如果一个蛋白质需要到达一个特定的细胞目的地来完成它的角色,那么它不能被动地这样做。它们需要以某种方式被引导来填充相应的囊泡或隔间中为它们保留的位置。因此,为了区分不同的蛋白质,它们有特定的信号。这导致了被运输的“货物”与介导运输步骤的“受体”之间的区别。更复杂的是,这些感受器必须不断地循环利用,以运送下一轮货物,就像邮递员回来取更多的信件一样。受体通常要经过多个隔间来运送货物。这些机制和蛋白质之间的相互作用一直困扰着科学家(包括我自己)。

随着荧光蛋白的发现,蛋白质贩运的研究具有技术革命。荧光蛋白在有效看不见的同伴的背景下以独特的方式亮起。制备由附着于荧光蛋白的目的蛋白质组成的熔融嵌合体已变得普遍。荧光显微镜允许在三维细胞环境的背景下观察蛋白质的位置,避免必须将细胞切成部分。令人印象深刻的最近进步允许观察到单一分子,以及活细胞中的囊泡的成像。

通过补充科学进步的技术发展,保守机制是一个非常复杂的系统正在暴露。与途径的缺陷有关,有各种人类疾病,在那里了解膜贩运的希望持有有效的疗法。已知一系列微生物劫持这些途径获得对受保护内电池的访问,更好地理解这些扰动不仅阐明了在健康细胞中介导稳态的过程中的光线也会推动医学创新。在我的植物生物领域,我们研究这些过程,不仅可以获得对细胞生物学的理解,而且还要努力实现全球问题。理解分泌途径使我们能够进入创建工业和药物蛋白质的植物细胞中的储存室的目标,以产生营养丰富的食物,甚至以更可持续和更有利的方式生产生物燃料。

本文中所描述的革命性突破似乎每5-10年就会发生一次,或许谨慎的做法是预测另一次这样的进展。然而,我认为,这种预测是错误的。科学基金似乎已经从所谓的“蓝天”研究转向了应用重点。上面讨论的每一个进展都是好奇心驱动的蓝天工作的直接结果,任何重大的创新也可能是这样。这并不是说应用研究没有价值,但随着大多数研究人员不得不关注可预见的影响,以证明资助的合理性,出现重大意想不到的突破的可能性似乎明显降低。然而,如果说历史的进步教会了我们什么,那就是进步可能发生在意想不到的地点和时间,观察细胞的微妙奥秘正在逐渐解开,这是一个令人兴奋的时刻。