托马斯·聚德霍夫（Thomas Sudhof）博士是一位穿着随意，但做起研究来却一丝不苟的人。即使是加州炎热的艳阳天，他仍然穿着厚运动衫。当接到获奖的电话时，他像对待科学问题一样询问：你是认真的吗？
2013年10月7日，斯坦福大学医学院细胞与分子生理学系的托马斯·聚德霍夫博士成为诺贝尔生理学和医学奖得主之一，正是他长期的开创性的工作让我们知道了神经细胞是如何进行信息传递的。
一、学生时代和早期的科研训练生涯
托马斯·聚德霍夫于1955年出生于德国哥廷根，他的外祖父母跟随德国改革派的教育学家鲁道夫·史代纳（Rudolf Steiner）在华德夫（Waldorf）学校工作，他的父母都是内科医生，父亲同时还从事医学学术研究。聚德霍夫出生时，他的父亲正在美国旧金山进行生物化学方面的学习。聚德霍夫在哥廷根和汉诺威两地度过了愉快的童年，并于1975年从汉诺威的华德夫学校毕业。那时，聚德霍夫不到20岁，他对除体育以外的很多科目都有浓厚的兴趣。受家庭的影响，聚德霍夫最终选择到医学院读书。他先后在亚琛和哥廷根的医学院学习，也正是在哥廷根——魏玛共和国时期的科学中心——聚德霍夫得到了非常好的训练，而且对科研越来越感兴趣。
在哥廷根学习期间，聚德霍夫进入了马克思-普朗克生物物理及生物化学研究所中的神经化学系，师从著名生物化学家维克托·惠特克（Victor Whittaker）博士，用生物化学的方法探究脑功能。作为第一位用生物化学的方法分离哺乳动物突触囊泡的科学家，维克托·惠特克博士对突触囊泡胞吐和胞吞研究非常有兴趣。聚德霍夫在维克托·惠特克实验室里研究了肾上腺髓质中的分泌囊泡，还探索了其他有趣的生理现象。聚德霍夫于1982年在哥廷根大学获得博士学位，他的博士论文阐述了肾上腺髓质嗜铬细胞的结构和功能。在获得博士学位后的一年里，聚德霍夫在哥廷根度过了他的实习医师期，在此期间，他仍去维克托·惠特克实验室做些研究工作。那时的聚德霍夫希望自己像父亲一样，成为学术型内科医生。尽管在维克托·惠特克实验室的研究经历使聚德霍夫更加热爱科学研究，但那时他的想法是做一些现实且立即可以看到效果的工作。
在当时的德国，如果想成为一位学术型的医生，就必须去国外接受几年与临床相关的科学训练。在了解了科研前景后，聚德霍夫于1983年远赴美国，在得州西南医学中心分子遗传系迈克尔·布朗（Michael Brown）和约瑟夫·戈德斯坦（Joseph Goldstein）实验室开始了他的博士后生涯。这两位博士后导师因在胆固醇代谢中的研究，特别是对心血管医学中低密度胆固醇受体的研究，而享誉世界，他们还分享了1985年的诺贝尔生理学和医学奖。聚德霍夫在接受博士后训练期间，成功地克隆出了低密度脂蛋白受体的基因，而且，这项研究教会了他分子生物学。
在迈克尔·布朗和约瑟夫·戈德斯坦的指导下，聚德霍夫明确了他的职业生涯发展方向——放弃临床职业，转向基础研究。当时分子生物学在神经科学研究中的应用还尚未起步，聚德霍夫敏锐地意识到了这个难得的机会，因此，当西南医学中心在1986年提供给他一个助理教授的职位时，聚德霍夫决定投身于神经递质分泌领域。在一次接受采访时，他说，“尽管成为一名职业医生也许会让我高兴，但作为一名医学学生，我必须和那些患有神经退行性疾病或急性精神疾病患者接触。这些经历在我脑中留下了不可磨灭的痕迹”[1]。这也许是他转行做基础研究的另一个原因。
二、细胞中的囊泡转运
聚德霍夫在美国达拉斯开创自己的实验室期间，他决定挑战一个之前提出过但是被忽略的问题——突触囊泡是如何进行胞吐的，也就是在突触传递过程中神经递质释放的机制是什么？ 1986年，维克托·惠特克实验室的工作成果显示，突触囊泡能够靠生物化学的方法纯化[2]，但囊泡里的物质如何释放却无人知晓。而在这之前的1979年和1984年，兰迪·谢克曼（Randy Schekman）和詹姆斯·罗斯曼（James Rothman）在关于囊泡在细胞内如何运输以及在细胞内囊泡如何精确“停靠”细胞膜方面已经完成了部分重要的研究工作。[3][4]
细胞内产生的物质如荷尔蒙、神经递质、细胞因子等如何在正确的时间里传递到细胞中正确的地方或者细胞外，是被精确调控的。首先，细胞内产生的这些物质被包裹在囊泡中，囊泡体积微小，呈泡状，在细胞器之间来回运输物质，或与细胞外膜融合将物质释放出去。兰迪·谢克曼专心研究细胞如何组织囊泡在细胞内，也就是细胞器间运输，20世纪70年代，他决定利用酵母菌作为模型系统来从遗传学上研究囊泡细胞内运输。通过遗传筛查，兰迪·谢克曼发现，酵母菌的囊泡运输若出现问题，囊泡就会在细胞的特定区域堆积。兰迪·谢克曼还发现，三类基因能够控制囊泡运输的不同方面，从而为了解细胞囊泡运输的精密调控机制提供了一种新认识[5]。詹姆斯·罗斯曼同样着迷于研究囊泡在细胞内运输的本质。20世纪80至90年代，在研究哺乳动物细胞内的囊泡运输时，他发现一种蛋白复合物SNAREs，这种物质能够让囊泡停靠在细胞膜上并与细胞膜融合。在融合过程中，囊泡上的蛋白质与细胞膜如同拉链一般相互结合，正是这种蛋白复合物使得物质能够投递到精确位置[6]。而且，詹姆斯·罗斯曼在哺乳动物中发现的控制囊泡转运的蛋白与兰迪·谢克曼在酵母中发现的一些囊泡转运蛋白具有高度的同源性。
三、聚德霍夫和他的囊泡转运研究
聚德霍夫对于人脑中的神经细胞如何传递信息很感兴趣。脑中的信号分子——神经递质包裹在神经突触前的囊泡中，通过罗斯曼和谢克曼发现的机制，与神经细胞的外膜融合。但是，突触前囊泡中的神经递质是如何精确释放的？是什么样的机制使突触传递如此的迅速和精确？聚德霍夫实验室用了20多年时间去寻找神经细胞囊泡上和活动区（active zone）上的关键蛋白，然后，他们用生物化学和生物物理方法去揭示这些蛋白的性质和分子结构，同时结合特异性突变小鼠去检测这些蛋白的功能。
在突触前膜中，神经递质的释放发生在突触前的活动区中，所谓的活动区，实际上是一个巨大的膜蛋白复合体。聚德霍夫实验室发现并阐述了其中的主要蛋白，包括SMs 蛋白家族和 RIMs 蛋白家族[7]。除此之外，他们还发现了RIM结合蛋白家族（RIM-BPs）也是活动区中的重要蛋白组成成分。SMs 和 RIMs蛋白家族包含了多个在膜融合过程中发挥重要作用的结合域，SMs蛋白与罗斯曼发现的SNAREs蛋白一起构成囊泡——细胞膜融合蛋白复合体，同时，RIM蛋白通过直接和细胞膜上的钙离子通道相互作用，又集中到囊泡释放位点的附近。SMs 和 RIMs蛋白在短时程和长时程的使用依赖性的递质释放变化中发挥作用，因而对学习记忆发挥重要作用。
最重要的是，突触前的囊泡释放是由钙离子所触发的。在20世纪80年代中期到90年代，聚德霍夫实验室一直在神经细胞中寻找钙敏感蛋白。聚德霍夫发现，钙离子必须通过结合囊泡上的突触结合蛋白（synaptotagmin）才能在囊泡与细胞膜融合中发挥作用[8]。突触结合蛋白的C2结合域与钙离子结合，并与SNAREs蛋白形成复合物，在囊泡内物质释放之前，此复合物已经形成；当神经细胞动作电位所促发的大量钙离子涌入后，突触结合蛋白上已经结合钙离子的C2结合域促使其与细胞膜的磷脂结合，进而 “拉链” 开启，信号物质释放出来。
聚德霍夫的发现解释了短暂的精确如何实现，以及囊泡内容物如何按指令释放。连同另两名诺奖得主的发现，我们理解了细胞内的物质如何在正确的时间里传递到细胞中正确的地方或者细胞外，以及从酵母到人类的众多有机体都具有相同的囊泡转运机理。这些知识也可以帮助我们了解，怎样的基因突变会引起神经退化，如精神分裂和自闭症。
参考文献：
[1]Goldman B. Molecular Neuroscientist Thomas Sudhof Wins Lasker Award[EB/OL]. http：//med.stanford.edu/ism/2013/september/lasker.html，2013-09-09.
[2]Giompres PE， Whittaker VP. The Density and Free Water of Cholinergic Synaptic Vesicles as a Function of Osmotic Pressure[EB/OL]. http：///science/article/pii/0304416586902643，1986-07-16.
[3]Novick P， Schekman R. Secretion and Cell-surface Growth are Blocked in a Temperature-sensitive Mutant of Saccharomyces Cerevisiae[EB/OL]. http：///science/article/pii/0092867484900199，1984-12.
[5]Kaiser CA， Schekman R. Distinct Sets of SEC Genes Govern Transport Vesicle Formation and Fusion Early in the Secretory Pathway[EB/OL]. http：///science/article/pii/009286749090483U， 1990-05-18.
[6]Sollner T， Whiteheart W， Brunner M， Erdjument-Bromage H， Geromanos S， Tempst P， Rothman JE. SNAP Receptor Implicated in Vesicle Targeting and Fusion[EB/OL]. http：///nature/journal/v345/n6272/abs/345260a0.html， 1990-05-17.
编辑 许方舟
推荐访问： 托马斯 诺贝尔 生理学 奖得主 霍夫
