胞吞作用与胞吐作用简介

内吞和外排途径对细胞稳态、组织功能以及细胞整体存活至关重要。简而言之，内吞是细胞通过将其膜包裹在胞外空间的分子周围并形成囊泡，从而摄取这些分子的过程。外排则是相反的过程，细胞利用囊泡将物质释放到胞外空间。研究表明，这些过程在激素分泌、膜受体内化、病原体吞噬以及神经元间通讯中发挥着关键作用。

今天，我们将回顾内吞和外排领域中的一些里程碑式发现，强调当前尚未解决的重要问题，介绍目前常用的重要研究方法，并最后探讨几项为深入理解这些过程而开展的具体实验。

让我们回顾一些推动胞吞作用和胞吐作用当前认知的重要发现。

与胞吞作用相关的最早记录可追溯至1882年，当时伊利亚·梅契尼科夫（Ilya Metchnikov）利用光学显微镜观察到某些细胞会吞噬入侵的病原体。他将这一过程称为“吞噬作用”（phagocytosis），即细胞通过囊泡形成来包裹病原体。近半个世纪后的1931年，沃伦·刘易斯（Warren Lewis）观察到细胞摄取液体时也存在类似的囊泡形成过程，并将此现象命名为“胞饮作用”（pinocytosis）。

1953年，乔治·帕拉德（George Palade）在研究细胞的结构与功能组织时，发现了膜上类似“洞穴”的凹陷结构，并将其命名为小窝（caveolae）。他推断这些结构必然参与细胞的物质摄取过程。不久之后，1955年，诺贝尔奖得主克里斯蒂安·德·迪夫（Christian de Duve）提出了“胞吞作用”（endocytosis）这一术语，用以涵盖“吞噬作用”和“胞饮作用”。然而，关于胞吞作用的研究并未就此结束。

1975年，迈克尔·布朗（Michael Brown）和约瑟夫·戈德斯坦（Joseph Goldstein）联合电子显微镜专家理查德·安德森（Richard Anderson）观察到，当低密度脂蛋白（LDL）与其细胞表面受体结合时，会形成“包被小窝”（coated pits）。这些小窝随后被内化，从而将LDL受体摄入细胞内。这便是第三种类型的胞吞作用——“受体介导的胞吞作用”（receptor-mediated endocytosis）的发现。同年，芭芭拉·皮尔斯（Barbara Pearse）分离出了主要的包被蛋白——一种三脚蛋白分子，并将其命名为网格蛋白（clathrin）。因此，该过程也被称为“网格蛋白介导的胞吞作用”（clathrin-mediated endocytosis）。

以上是有关胞吞作用的发展历程。现在我们来探讨胞吐作用的认知过程。1980年，兰迪·谢克曼（Randy Schekman）的研究团队构建了分泌功能缺陷的酵母突变体，揭示了编码胞吐作用所需关键蛋白的基因的存在。

1993年，詹姆斯·罗斯曼（James Rothman）鉴定了其中一些蛋白质，并根据其化学特性将其命名为SNARE蛋白。在其开创性的“SNARE假说”中，他提出这些螺旋结构能够相互钩连，产生足够的作用力使膜紧密靠近并融合，从而引发胞吐作用。

几乎在同一时期，托马斯·聚德霍夫（Thomas Südhof）证实该过程在神经元中还受到钙感应蛋白——突触结合蛋白（synaptotagmins）的严密调控，这些蛋白促进囊泡融合，并精确控制神经递质释放的时间。这三位科学家因此共同获得了2013年诺贝尔奖。

尽管这些发现范围广泛，但仍有许多引人入胜的谜题尚未解决。让我们来看看当今正在探索的一些问题。

科学家们开始探究胞吞作用和胞吐作用的功能如何超越物质的摄取与分泌。例如，囊泡通过与细胞膜融合持续释放神经递质，却不会导致细胞体积灾难性地扩大，这是如何实现的？研究人员正试图鉴定促使细胞内化膜结构的信号，以抵消膜的扩张并实现资源的循环利用。

另一个有趣的研究方向是：驱动这些过程的复杂分子机器由哪些组分构成？例如，吞噬作用需要细胞膜发生大幅度形变，以包裹入侵的病原体。科学家正在研究肌动蛋白等细胞骨架蛋白如何参与并介导显著的膜重塑过程。

最后，由于异常的胞吞和胞吐作用可能导致严重疾病，科学家们也致力于理解这些失调现象的成因。其中一个备受关注的蛋白质是α-突触核蛋白（α-synuclein），其从神经元中的分泌已被证实与邻近神经元进行性死亡相关。深入了解其胞吐机制，可能为帕金森病等神经退行性疾病的治疗提供重要线索。

在探讨了一些正在研究的关键问题之后，让我们来看看有哪些工具可用于回答这些问题。

研究人员使用细胞生物素化检测法来追踪细胞表面蛋白的内吞作用。该过程包括用荧光标记的生物素标记表面蛋白，然后让细胞进行内吞。随后可通过免疫印迹分析，揭示蛋白的内化情况。

为了定量分析神经元囊泡的循环利用，许多科学家使用膜特异性荧光分子（如FM染料）对细胞进行标记。这些染料可稳定结合于质膜外小叶，并仅通过内吞作用被摄入细胞内。经过连续刺激后，它们会通过胞吐作用释放出来。利用荧光显微镜分析其释放过程，可更深入地了解整个囊泡循环机制。

通常，为了操控并理解介导胞吐作用的各组分的功能，科学家会建立融合检测实验。准备两组含有不同荧光染料内容物的囊泡，并使其相互接近。它们之间的融合将产生一种新的产物，可通过微孔板检测仪进行监测。

最后，包括荧光成像和活细胞荧光成像在内的先进成像技术，为研究人员提供了独特的机会，以观察内吞和胞吐过程中的形态结构与分子事件。

最后，让我们来看一些当今科学家在实验室中应用这些工具的具体方式。

细胞生物学家希望研究胞吐作用如何帮助修复受损的细胞膜。在此实验中，研究人员首先在含有FM染料的溶液中通过滚动玻璃珠对细胞造成损伤。随后的荧光成像显示，如果胞吐速率较快，则能迅速封闭细胞膜，阻止FM染料渗入细胞内；而当胞吐速率较慢时，则会导致细胞内出现广泛的FM染料染色。

研究人员可利用融合实验来模拟特定融合蛋白的作用。在此实验中，研究人员在两组细胞表面分别表达不同的囊泡相关膜蛋白（即“VAMPs”），这类蛋白属于SNARE蛋白家族。随后允许细胞发生融合，并使用分光光度计对融合结果进行定量分析。通过该实验体系，科学家能够比较多种VAMPs的融合效率。

最后，研究人员致力于探究细胞表面受体在药物刺激下发生的内吞作用。在此实验中，科学家用药物处理带有荧光标记的细胞，并通过延时显微镜实时观察受体介导的内吞过程。

您刚刚观看了 JoVE 关于胞吞作用与胞吐作用的介绍视频。在本视频中，我们回顾了从吞噬作用的发现到神经递质释放机制阐明的历史重要进展。接着，我们介绍了当前该领域关注的一些关键科学问题，探讨了主要的研究策略，并讨论了这些策略的一些最新应用。一如既往，感谢您的观看！