蛋白质转运的细胞分子机理研究——1999年度诺贝尔医学奖简介
作者：方福德
单位：方福德(中国医学科学院 基础医学研究所，北京 100005)
关键词：
医学与哲学000122中图分类号：Q51 文献标识码：A
文章编号：
据媒体报道，瑞典卡洛琳斯卡医学院1999年10月11日在斯德哥尔摩宣布1999年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国洛克菲勒大学细胞分子生物学家君特.布洛贝尔(Blobel,G)，以表彰他发现蛋白质因具有信号序列而决定其在细胞内转运和定位的功绩。
1 Blobel提出了什么重要的科学问题
人体由大约1×1014个不同类型细胞所组成。细胞外表由膜包裹，是组成机体的基本单位。细胞间可通过各种管道和基质进行物质交换、通讯联络和相互作用。细胞内含有各种形态各异、功能不一的亚细胞结构和细胞器(如细胞核、内质网、线粒体……)，这些细胞器也由各自的膜所包裹。细胞不同部位和细胞器具有不同的生物学作用和功能，体现这些作用和功能的分子是蛋白质。我们知道，细胞内进行蛋白质生物合成的场所主要在细胞质，以核糖体(ribosome)和信使核糖核酸(mRNA)等组成的复合物则是合成蛋白质的“工作母机”。线粒体也可合成10来种蛋白质，但它本身的许多蛋白质及合成蛋白质所需的一些蛋白因子也是在细胞质中合成的。这就提出了一个有待解答的问题：不同类型蛋白质在细胞质合成后如何转运到应该去的部位?如何转运至细胞器内或细胞外?Blobel根据这一科学命题，认为关键是阐明蛋白质穿越细胞或细胞器膜(专业上称为转运，transfer或移位，translocation)的细胞分子机制。他以此为主攻方向，选择内质网为研究模型，经过长期不懈的努力，终于取得了成功。
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2 Blobel的科学贡献
Blobel从分泌性蛋白质向内质网转运入手研究蛋白质转运的机制。人们观察到，高等动物的某些细胞如肝、胰脏细胞合成的分泌性蛋白质可通过内质网膜进入内质网内，然后通过管道系统被输送到高尔基体，形成成熟的小泡，这些小泡可与细胞质膜融合，形成出口，使蛋白质分泌出去。这些小泡也可与细胞器的膜融合，将分泌性蛋白质转运至细胞器内。在上述分泌性蛋白质穿膜转运现象中，作为被转运的蛋白质在其合成过程和结构上有何特点呢?Blobel从中发现了2条重要线索：(1)被转运蛋白质的初生态(即其前身物)比成熟肽大；(2)被转运的分泌性蛋白质其进入内质网的过程与其生物合成的过程是平行进行的。从这两条线索中Blobel推断初生肽长出的那段肽链可能是专门起引导作用的“信号肽”(signal peptide或signal sequence)，只有存在信号肽，才可能穿越膜结构，否则不能实现跨膜转运。Blobel根据这一推断，经过研究，证明了信号肽的存在及与蛋白质跨膜转运的关系，并于1971年提出了蛋白质跨膜转运的“信号假说”(signal hypothesis)。该假说的要点是：当被转运的蛋白质肽链的合成在mRNA起始密码上启动后，首先合成一段含15～30个氨基酸的信号肽，它被内质网膜上的受体蛋白所识别并相互结合，此时受体蛋白可聚合而产生膜内通道，此外内质网膜上核糖体受体蛋白还可与核糖体结合形成延伸出去的通道，这样，当蛋白肽链合成继续进行的同时，信号肽率先经过通道进入内质网，随后信号肽被膜内侧的信号肽酶水解掉，蛋白质再变成成熟蛋白质。
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信号肽的发现是Blobel做出的第一个科学贡献。信号肽是小肽，其中部为长约12～14个氨基酸残基(大多为疏水性)组成的片段，前部为带正电荷的碱性氨基酸残基，末端为富含丙氨酸的片段，也是信号肽酶的水解部位。
但是，在信号假说中还存在第2个关键问题：内质网膜是如何识别信号肽的?Blobel为解决该问题做出了又一个重要的贡献，发现了细胞内一种叫做“信号识别蛋白”(signal recognition protein,SRP)的蛋白质因子在内质网膜识别信号肽中的重要作用。他们从狗胰脏细胞内质网小泡的盐抽提物中提取到一个沉降系数为11S的蛋白质核酸复合体(由分子量为72 000、68 000、54 000、19 000、14 000和9 000的6种多肽和一条单链的7SRNA组成)，即SRP，采用放射性标记同位素示踪实验揭示了SRP具有以下重要性质：(1)它对初生肽穿越内质网膜是必需的；(2)它能直接与正在合成牛催乳激素(作为一种具有信号肽的分泌性蛋白质的实验对象)前身物的聚核糖体相互作用，而不与正在合成珠蛋白(作为一种不具有信号肽的非分泌性蛋白质的实验对象)的聚核糖体相互作用；(3)在体外蛋白合成体系(如麦胚翻译体系)中，SRP与正在合成牛催乳激素的聚核糖体结合和作用可抑制该激素的继续合成；(4)用巯基化试剂修饰SRP后，其与聚核糖体的结合作用大大减少，这种减少是通过催乳激素肽链的介导而不是mRNA介导的；(5)只有SRP存在时，合成催乳激素前身物的聚核糖体才有可能与内质网膜相结合，SRP的这种作用具有特异性，对于合成非分泌性蛋白质的聚核糖体无此结合作用；(6)在体外实验中证明了SRP能引起分泌性蛋白质肽链延伸的信号肽依赖性和位点特异性的阻断。实验结果表明，牛催乳激素前身物肽链是在信号肽上延伸而成的，这一延伸过程与肽段向内质网内的转运是平行进行的，一旦SRP由信号肽介导而结合于核糖体的阻断肽链延伸的特异性位点上，即可抑制被转运的分泌蛋白质合成过程中的肽链延伸，这一实验结果表明，SRP一方面可与内质膜上的受体结合以便形成通道让信号肽通过，另一方面也可离开膜进入细胞质与信号肽结合，二者达成动态平衡。因此可以说SRP是介导内质网膜识别信号肽的关键性因子。
, 百拇医药
根据以上的工作，实际上一幅关于蛋白质向内质网的跨膜转运原理图已清晰可见，Blobel将其归纳成下面的图解形式，它就是Blobel借以获奖的新的“信号假说”原理图(图1)。
图1 蛋白质向内质网跨膜转运的细胞分子生物学机制示意图
1.核糖体，上下两部分分别代表小亚基和大亚基，若中间以线穿过则线代表mRNA；2.SRP；3.SRP受体；4.核糖体受体；5.信号肽酶；6.信号肽。
蛋白质向内质网跨膜转运的步骤简介如下：
A.核糖体串联成聚核糖体，准备合成蛋白质；B.SRP识别并结合在核糖体上；C.在聚核糖体上，由mRNA开始合成信号肽；D.SRP识别信号肽并与之结合，多肽链合成暂时停止；E.SRP—信号肽—聚核糖体复合物与内质网膜上SRP受体及核糖体受体结合；F.暂时停止合成的多肽链恢复合成，新生肽随信号肽延伸，接着信号肽被膜内侧的信号肽酶水解，新生肽继续延伸，形成有高级结构的成熟蛋白质；G.核糖体大小亚基分离，核糖体受体解离，内质网膜恢复完整的脂质双层结构信号假说普遍适用于真核细胞(包括动、植物和酵母细胞)。以此基础上，Blobel还于1980年总结出如何分类鉴别对应于不同细胞区域的蛋白，提出每个蛋白都有指明其在细胞中正确位置的信息，氨基酸序列决定了一个蛋白质是否会穿过膜进入另一细胞器或转运到细胞外，所有上述的发现都是开创性的、史无前例的。
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3 Blobel科学发现的意义和价值
卡洛琳斯卡医学院的评委们认为，Blobel的科学发现对现代细胞分子生物学的发展影响重大，非常有助于理解某些医学机理，尤其是一些遗传病。例如，由于信号出现错误，新合成的蛋白质会在细胞内错误的部位“安家”，从而产生异常的表型，如导致高草酸盐尿症，在较早年龄阶段引发肾结石。信号错误还可引发膀胱纤维化和其他一些疑难病症。这为解释某些疑难病症的发病原理以及制定防治策略、途径和措施提供了科学依据。Blobel的研究成果还可更好地利用细胞作为“蛋白工厂”来生产贵重药品，指导基因工程生产蛋白质防治药物时的设计。例如，欲在细胞培养中生产基因工程产品，若目标蛋白质无信号肽，属非分泌性蛋白质，只能把基因表达产物局限在细胞内，这就增加了下游工作的难度(如分离纯化等)，在这种情况下，往往可考虑在目标基因的前面设计一段信号肽，变成可分泌性蛋白质而分泌到细胞外培养液中，从而提高了产品的产率和质量，减少了下游工作的难度。
Blobel的获奖还给我们进行科技创新提供了思想借鉴。对科研工作而言，关键是选题，而选题的关键是如何选中突破点和入手点。这需要具备高度的鉴别力，还必须结合自己的优势。在我国开创知识更新的时期里，Blobel的获奖提供了榜样。如果把上述问题解决好，也许诺贝尔奖真的离我们就不远了。
作者简介：方福德(1941～)，男，浙江温州人。中国医学科学院教授，博士生导师。1994年获卫生部有突出贡献的中青年专家称号。
收稿日期：1999-11-07, 百拇医药
单位：方福德(中国医学科学院 基础医学研究所，北京 100005)
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医学与哲学000122中图分类号：Q51 文献标识码：A
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据媒体报道，瑞典卡洛琳斯卡医学院1999年10月11日在斯德哥尔摩宣布1999年度诺贝尔生理学或医学奖授予美国洛克菲勒大学细胞分子生物学家君特.布洛贝尔(Blobel,G)，以表彰他发现蛋白质因具有信号序列而决定其在细胞内转运和定位的功绩。
1 Blobel提出了什么重要的科学问题
人体由大约1×1014个不同类型细胞所组成。细胞外表由膜包裹，是组成机体的基本单位。细胞间可通过各种管道和基质进行物质交换、通讯联络和相互作用。细胞内含有各种形态各异、功能不一的亚细胞结构和细胞器(如细胞核、内质网、线粒体……)，这些细胞器也由各自的膜所包裹。细胞不同部位和细胞器具有不同的生物学作用和功能，体现这些作用和功能的分子是蛋白质。我们知道，细胞内进行蛋白质生物合成的场所主要在细胞质，以核糖体(ribosome)和信使核糖核酸(mRNA)等组成的复合物则是合成蛋白质的“工作母机”。线粒体也可合成10来种蛋白质，但它本身的许多蛋白质及合成蛋白质所需的一些蛋白因子也是在细胞质中合成的。这就提出了一个有待解答的问题：不同类型蛋白质在细胞质合成后如何转运到应该去的部位?如何转运至细胞器内或细胞外?Blobel根据这一科学命题，认为关键是阐明蛋白质穿越细胞或细胞器膜(专业上称为转运，transfer或移位，translocation)的细胞分子机制。他以此为主攻方向，选择内质网为研究模型，经过长期不懈的努力，终于取得了成功。
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2 Blobel的科学贡献
Blobel从分泌性蛋白质向内质网转运入手研究蛋白质转运的机制。人们观察到，高等动物的某些细胞如肝、胰脏细胞合成的分泌性蛋白质可通过内质网膜进入内质网内，然后通过管道系统被输送到高尔基体，形成成熟的小泡，这些小泡可与细胞质膜融合，形成出口，使蛋白质分泌出去。这些小泡也可与细胞器的膜融合，将分泌性蛋白质转运至细胞器内。在上述分泌性蛋白质穿膜转运现象中，作为被转运的蛋白质在其合成过程和结构上有何特点呢?Blobel从中发现了2条重要线索：(1)被转运蛋白质的初生态(即其前身物)比成熟肽大；(2)被转运的分泌性蛋白质其进入内质网的过程与其生物合成的过程是平行进行的。从这两条线索中Blobel推断初生肽长出的那段肽链可能是专门起引导作用的“信号肽”(signal peptide或signal sequence)，只有存在信号肽，才可能穿越膜结构，否则不能实现跨膜转运。Blobel根据这一推断，经过研究，证明了信号肽的存在及与蛋白质跨膜转运的关系，并于1971年提出了蛋白质跨膜转运的“信号假说”(signal hypothesis)。该假说的要点是：当被转运的蛋白质肽链的合成在mRNA起始密码上启动后，首先合成一段含15～30个氨基酸的信号肽，它被内质网膜上的受体蛋白所识别并相互结合，此时受体蛋白可聚合而产生膜内通道，此外内质网膜上核糖体受体蛋白还可与核糖体结合形成延伸出去的通道，这样，当蛋白肽链合成继续进行的同时，信号肽率先经过通道进入内质网，随后信号肽被膜内侧的信号肽酶水解掉，蛋白质再变成成熟蛋白质。
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信号肽的发现是Blobel做出的第一个科学贡献。信号肽是小肽，其中部为长约12～14个氨基酸残基(大多为疏水性)组成的片段，前部为带正电荷的碱性氨基酸残基，末端为富含丙氨酸的片段，也是信号肽酶的水解部位。
但是，在信号假说中还存在第2个关键问题：内质网膜是如何识别信号肽的?Blobel为解决该问题做出了又一个重要的贡献，发现了细胞内一种叫做“信号识别蛋白”(signal recognition protein,SRP)的蛋白质因子在内质网膜识别信号肽中的重要作用。他们从狗胰脏细胞内质网小泡的盐抽提物中提取到一个沉降系数为11S的蛋白质核酸复合体(由分子量为72 000、68 000、54 000、19 000、14 000和9 000的6种多肽和一条单链的7SRNA组成)，即SRP，采用放射性标记同位素示踪实验揭示了SRP具有以下重要性质：(1)它对初生肽穿越内质网膜是必需的；(2)它能直接与正在合成牛催乳激素(作为一种具有信号肽的分泌性蛋白质的实验对象)前身物的聚核糖体相互作用，而不与正在合成珠蛋白(作为一种不具有信号肽的非分泌性蛋白质的实验对象)的聚核糖体相互作用；(3)在体外蛋白合成体系(如麦胚翻译体系)中，SRP与正在合成牛催乳激素的聚核糖体结合和作用可抑制该激素的继续合成；(4)用巯基化试剂修饰SRP后，其与聚核糖体的结合作用大大减少，这种减少是通过催乳激素肽链的介导而不是mRNA介导的；(5)只有SRP存在时，合成催乳激素前身物的聚核糖体才有可能与内质网膜相结合，SRP的这种作用具有特异性，对于合成非分泌性蛋白质的聚核糖体无此结合作用；(6)在体外实验中证明了SRP能引起分泌性蛋白质肽链延伸的信号肽依赖性和位点特异性的阻断。实验结果表明，牛催乳激素前身物肽链是在信号肽上延伸而成的，这一延伸过程与肽段向内质网内的转运是平行进行的，一旦SRP由信号肽介导而结合于核糖体的阻断肽链延伸的特异性位点上，即可抑制被转运的分泌蛋白质合成过程中的肽链延伸，这一实验结果表明，SRP一方面可与内质膜上的受体结合以便形成通道让信号肽通过，另一方面也可离开膜进入细胞质与信号肽结合，二者达成动态平衡。因此可以说SRP是介导内质网膜识别信号肽的关键性因子。
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根据以上的工作，实际上一幅关于蛋白质向内质网的跨膜转运原理图已清晰可见，Blobel将其归纳成下面的图解形式，它就是Blobel借以获奖的新的“信号假说”原理图(图1)。
图1 蛋白质向内质网跨膜转运的细胞分子生物学机制示意图
1.核糖体，上下两部分分别代表小亚基和大亚基，若中间以线穿过则线代表mRNA；2.SRP；3.SRP受体；4.核糖体受体；5.信号肽酶；6.信号肽。
蛋白质向内质网跨膜转运的步骤简介如下：
A.核糖体串联成聚核糖体，准备合成蛋白质；B.SRP识别并结合在核糖体上；C.在聚核糖体上，由mRNA开始合成信号肽；D.SRP识别信号肽并与之结合，多肽链合成暂时停止；E.SRP—信号肽—聚核糖体复合物与内质网膜上SRP受体及核糖体受体结合；F.暂时停止合成的多肽链恢复合成，新生肽随信号肽延伸，接着信号肽被膜内侧的信号肽酶水解，新生肽继续延伸，形成有高级结构的成熟蛋白质；G.核糖体大小亚基分离，核糖体受体解离，内质网膜恢复完整的脂质双层结构信号假说普遍适用于真核细胞(包括动、植物和酵母细胞)。以此基础上，Blobel还于1980年总结出如何分类鉴别对应于不同细胞区域的蛋白，提出每个蛋白都有指明其在细胞中正确位置的信息，氨基酸序列决定了一个蛋白质是否会穿过膜进入另一细胞器或转运到细胞外，所有上述的发现都是开创性的、史无前例的。
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3 Blobel科学发现的意义和价值
卡洛琳斯卡医学院的评委们认为，Blobel的科学发现对现代细胞分子生物学的发展影响重大，非常有助于理解某些医学机理，尤其是一些遗传病。例如，由于信号出现错误，新合成的蛋白质会在细胞内错误的部位“安家”，从而产生异常的表型，如导致高草酸盐尿症，在较早年龄阶段引发肾结石。信号错误还可引发膀胱纤维化和其他一些疑难病症。这为解释某些疑难病症的发病原理以及制定防治策略、途径和措施提供了科学依据。Blobel的研究成果还可更好地利用细胞作为“蛋白工厂”来生产贵重药品，指导基因工程生产蛋白质防治药物时的设计。例如，欲在细胞培养中生产基因工程产品，若目标蛋白质无信号肽，属非分泌性蛋白质，只能把基因表达产物局限在细胞内，这就增加了下游工作的难度(如分离纯化等)，在这种情况下，往往可考虑在目标基因的前面设计一段信号肽，变成可分泌性蛋白质而分泌到细胞外培养液中，从而提高了产品的产率和质量，减少了下游工作的难度。
Blobel的获奖还给我们进行科技创新提供了思想借鉴。对科研工作而言，关键是选题，而选题的关键是如何选中突破点和入手点。这需要具备高度的鉴别力，还必须结合自己的优势。在我国开创知识更新的时期里，Blobel的获奖提供了榜样。如果把上述问题解决好，也许诺贝尔奖真的离我们就不远了。
作者简介：方福德(1941～)，男，浙江温州人。中国医学科学院教授，博士生导师。1994年获卫生部有突出贡献的中青年专家称号。
收稿日期：1999-11-07, 百拇医药