Science前沿问题：细胞内膜系统的跨膜分子运输

　　

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生物通报道：细胞是执行生命功能的基本单位, 各种生物分子在脂膜包被的区域内有序协调地行使功能, 从而构成了生物活动的基础. 脂分子层不仅具有隔绝内外形成微环境的屏障作用, 而且还通过受控的跨膜物质运输与信号转导而发挥交通枢纽的功能, 实现了膜内外物质与信息交换的精细调节. 除此之外, 脂分子层由于其形成的疏水环境还为大量的脂溶性生物小分子的合成与代谢提供了加工场所. 细胞内膜系统的物质运输是一个高度受控的复杂物流网络, 所运输的底物涵盖了无机小分子、有机小分子和生物大分子等众多物质, 其运输效率和调节机制与细胞发挥正常功能以及疾病发生发展具有重要关系.

由于分子定位、原位成像和蛋白质样品获取方面的困难, 目前对于细胞内膜运输系统的研究与了解只是冰山一角. 近期来自中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所的研究人员就细胞内各膜系统间发生运输和交换的信号分子、营养物质及生物大分子的研究进展做了综述, 并且期待在细胞内膜系统研究上新技术新方法的发现。

细胞是执行生命功能的基本单位, 除特殊形式(如病毒)外, 地球上所有的生命体都是由细胞构成的.细胞在本质上是由磷脂膜包被的一团大分子溶液, 各种生物分子功能在其中的有序协调行使共同构成了宏观生命现象的基础. 磷脂膜是基本上连续的二维面结构, 其不仅将细胞内物质与细胞外环境相隔离, 而且还在细胞内通过折叠-弯曲-融合形成多种亚细胞结构,例如细胞核和其他多种细胞器, 这些不同位置的磷脂膜在一起构成了细胞的膜系统. 由于细胞的膜系统是一个疏水性较强的结构, 因此对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, 膜两侧自发进行的该类物质交换几乎可以忽略不计. 在这种情况下,由跨膜蛋白质所实施的分子输送对于合理地将各种维持生命活动必须的物质分配至各自的目的地起到了至关重要的作用.

长期以来负责细胞内外物质与信息交换的跨细胞膜分子过程受到了较多关注, 大量的跨细胞膜过程的结构基础和功能调控得到了良好的阐明,例如GPCR介导的信号转导过程、钾离子通道的导电原理、葡萄糖转运体的转运机制, 等等. 与之成对比的是, 由于在分子定位、原位成像和蛋白质样品获取方面的困难, 细胞内的各种跨膜过程研究目前进展较为缓慢, 对于细胞器内外和细胞器之间物质与信息交换的具体分子机理的了解刚刚起步.

作者指出，细胞内膜系统的物质运输是处于一个高度受控的复杂物流网络之中的重要生理过程, 这一过程的流畅运转是细胞各项功能正常行使的前提. 然而, 由于当前存在的技术障碍, 人们对细胞内膜系统物质运输认识相对匮乏, 主要的障碍存在于:

 (ⅰ) 膜蛋白结构解析与功能分析的困难. 近十年来, 虽然膜蛋白的结构生物学领域取得了较大突破, 一系列重要的膜蛋白获得了高分辨的三维结构和较为可信的功能描述, 但是这些成就基本上局限于细胞膜上的跨膜蛋白质研究, 对于辅助细胞内膜系统转运的蛋白质的研究由于表达、纯化和结构分析的困难而进展缓慢;

(ⅱ) 针对细胞内膜系统中各种化学物质的活体定量手段目前仍有欠缺, 在无法准确获知各细胞器内的转运底物(例如, 葡萄糖、柠檬酸等)的浓度并对其进行实时跟踪的情况下, 很难系统地完成细胞内膜运输系统的功能图谱, 目前所能做的只能是针对某一两种转运体蛋白进行功能分析. 相信在这两个领域中出现的新技术新方法将会有助于人们对于细胞内运输的认识与了解, 并在此基础上提出这一过程紊乱所引发疾病的治疗方案.

原文检索：

曹禹, 夏莹. 细胞内膜系统的跨膜分子运输. 科学通报, 2016, 61: 2762–2766
Cao Y, Xia Y. The molecular transportation across intracellular membrane system (in Chinese). Chin Sci Bull, 2016, 61: 2762–2766, doi:10.1360/N972016-00696