Science前沿問題：細胞內膜系統的跨膜分子運輸

日期：2016-09-14 11:30:47

細胞是執行生命功能的基本單位, 各種生物分子在脂膜包被的區域內有序協調地行使功能, 從而構成了生物活動的基礎. 脂分子層不僅具有隔絕內外形成微環境的屏障作用, 而且還通過受控的跨膜物質運輸與信號轉導而發揮交通樞紐的功能, 實現了膜內外物質與信息交換的精細調節. 除此之外, 脂分子層由于其形成的疏水環境還為大量的脂溶性生物小分子的合成與代謝提供了加工場所. 細胞內膜系統的物質運輸是一個高度受控的復雜物流網絡, 所運輸的底物涵蓋了無機小分子、有機小分子和生物大分子等眾多物質, 其運輸效率和調節機制與細胞發揮正常功能以及疾病發生發展具有重要關系。

由于分子定位、原位成像和蛋白質樣品獲取方面的困難, 目前對于細胞內膜運輸系統的研究與了解只是冰山一角. 近期來自中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所的研究人員就細胞內各膜系統間發生運輸和交換的信號分子、營養物質及生物大分子的研究進展做了綜述, 并且期待在細胞內膜系統研究上新技術新方法的發現。

細胞是執行生命功能的基本單位, 除特殊形式(如病毒)外, 地球上所有的生命體都是由細胞構成的.細胞在本質上是由磷脂膜包被的一團大分子溶液, 各種生物分子功能在其中的有序協調行使共同構成了宏觀生命現象的基礎. 磷脂膜是基本上連續的二維面結構, 其不僅將細胞內物質與細胞外環境相隔離, 而且還在細胞內通過折疊-彎曲-融合形成多種亞細胞結構,例如細胞核和其他多種細胞器, 這些不同位置的磷脂膜在一起構成了細胞的膜系統. 由于細胞的膜系統是一個疏水性較強的結構, 因此對于水溶性小分子和生物大分子起到了非常良好的屏障作用, 膜兩側自發進行的該類物質交換幾乎可以忽略不計. 在這種情況下,由跨膜蛋白質所實施的分子輸送對于合理地將各種維持生命活動必須的物質分配至各自的目的地起到了至關重要的作用。

長期以來負責細胞內外物質與信息交換的跨細胞膜分子過程受到了較多關注, 大量的跨細胞膜過程的結構基礎和功能調控得到了良好的闡明,例如GPCR介導的信號轉導過程、鉀離子通道的導電原理、葡萄糖轉運體的轉運機制, 等等. 與之成對比的是, 由于在分子定位、原位成像和蛋白質樣品獲取方面的困難, 細胞內的各種跨膜過程研究目前進展較為緩慢, 對于細胞器內外和細胞器之間物質與信息交換的具體分子機理的了解剛剛起步。

作者指出，細胞內膜系統的物質運輸是處于一個高度受控的復雜物流網絡之中的重要生理過程, 這一過程的流暢運轉是細胞各項功能正常行使的前提. 然而, 由于當前存在的技術障礙, 人們對細胞內膜系統物質運輸認識相對匱乏, 主要的障礙存在于。

(ⅰ) 膜蛋白結構解析與功能分析的困難. 近十年來, 雖然膜蛋白的結構生物學領域取得了較大突破, 一系列重要的膜蛋白獲得了高分辨的三維結構和較為可信的功能描述, 但是這些成就基本上局限于細胞膜上的跨膜蛋白質研究, 對于輔助細胞內膜系統轉運的蛋白質的研究由于表達、純化和結構分析的困難而進展緩慢;

(ⅱ) 針對細胞內膜系統中各種化學物質的活體定量手段目前仍有欠缺, 在無法準確獲知各細胞器內的轉運底物(例如, 葡萄糖、檸檬酸等)的濃度并對其進行實時跟蹤的情況下, 很難系統地完成細胞內膜運輸系統的功能圖譜, 目前所能做的只能是針對某一兩種轉運體蛋白進行功能分析. 相信在這兩個領域中出現的新技術新方法將會有助于人們對于細胞內運輸的認識與了解, 并在此基礎上提出這一過程紊亂所引發疾病的治療方案。