眾多諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者中，有一些是在學(xué)習(xí)生涯中遇到了伯樂，有一些則是受到來自醫(yī)生、科學(xué)家的啟發(fā)從而走上了科學(xué)研究的道路。但對(duì)于James Rothman來說，他則是一個(gè)例外�；蛟S是受到父母的影響，他從記事起，就立志要成為一名科學(xué)家。

Rothman的父母在小鎮(zhèn)上開著一間兒科診所，他的父親在年輕時(shí)便想開展醫(yī)學(xué)研究，但無奈遇上了大蕭條和二戰(zhàn)沒能實(shí)現(xiàn)自己的愿望。到了Rothman這一代，情況就好轉(zhuǎn)了許多，有了父親的診所，他會(huì)幫助父親做一些工作，比如分析病人的心電圖，又或者是幫助父親檢測血液樣本。

物理學(xué)的粉絲

實(shí)際上，Rothman最大的興趣其實(shí)并不是生物學(xué)，而是物理學(xué)。在上世紀(jì)50年代，美國開始鼓勵(lì)社會(huì)發(fā)展科學(xué)和科技，濃厚的社會(huì)氛圍和家庭支持讓Rothman讀小學(xué)的時(shí)候就設(shè)計(jì)和組裝出了可以發(fā)射的火箭。

為了更好地通過三角測量火箭高度，他7年級(jí)就自學(xué)了三角學(xué)課程，并在接下來的兩年里沉醉于火箭物理學(xué)的探索。到了高中，Rothman接觸到高等物理學(xué)后，便更加癡迷于物理，甚至自己出去報(bào)了另外的培訓(xùn)課程。毫無疑問，如此優(yōu)秀的履歷得到了名校的青睞。他最終被耶魯大學(xué)錄取，并選擇了自己夢寐以求的理論物理學(xué)專業(yè)。

大學(xué)一年級(jí)，他便參與了耶魯大學(xué)特設(shè)的項(xiàng)目，該項(xiàng)目是學(xué)校為了加速學(xué)生數(shù)學(xué)和物理學(xué)的發(fā)展而設(shè)立。似乎按照這條路下去，Rothman應(yīng)該會(huì)成為一名優(yōu)秀的物理學(xué)家。不過，一些事情開始在慢慢地發(fā)生改變，在他二年級(jí)時(shí)，他的父親開始擔(dān)心物理學(xué)專業(yè)的工作不好找，建議他學(xué)習(xí)生物學(xué)，至少嘗試一下。

為什么他父親是建議他嘗試呢？因?yàn)樵赗othman的觀念中，各個(gè)學(xué)科會(huì)有著嚴(yán)格的排序。他認(rèn)為理論物理學(xué)家是最聰明的，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家稍微靠后一點(diǎn)，接下來便是化學(xué)家，生物學(xué)家只能排在末尾。盡管不情愿，他還是參與了一次生物學(xué)課程。所幸的是，他聽到的是分子生物學(xué)前沿的介紹，Rothman覺得這一分支也能像物理學(xué)一樣具備結(jié)構(gòu)性和挑戰(zhàn)，他便沒有那么抗拒參加生物學(xué)課程的想法。

但他的跨越不是一蹴而就，而是選擇先從物理化學(xué)開始，學(xué)習(xí)多肽聚合物的三維構(gòu)象（會(huì)用到統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和熱力學(xué)）。隨后，Rothman遇到了生物物理學(xué)家Harold Morowitz，開始轉(zhuǎn)向生物膜的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，比如熱相變分離脂質(zhì)雙層。其實(shí)在這里，Rothman的生物學(xué)研究方向也基本鎖定了，他將和生物膜相關(guān)領(lǐng)域有著不解的緣分。

從耶魯大學(xué)畢業(yè)后，Rothman前往了哈佛醫(yī)學(xué)院。在那里，他第一次接觸到了細(xì)胞的分泌過程。當(dāng)時(shí)，George Palade對(duì)于核糖體和蛋白運(yùn)輸途徑的發(fā)現(xiàn)仍然處于非常新穎的程度。細(xì)胞膜如何制造出囊泡？囊泡又要去哪里，如何融合？這些問題引起了Rothman極大的興趣，他在1978年建立自己的實(shí)驗(yàn)室時(shí)，將這些問題當(dāng)作了自己一生致力解決的焦點(diǎn)。

細(xì)胞高速通路

哺乳動(dòng)物的細(xì)胞內(nèi)部其實(shí)有著微縮版、錯(cuò)綜復(fù)雜的高速公路，在這里有無數(shù)的囊泡會(huì)攜帶著蛋白質(zhì)從一個(gè)地點(diǎn)到達(dá)另一個(gè)地點(diǎn)。它們會(huì)從一片膜上長出小芽，又會(huì)最終融合到另一片膜上消失。這樣來來回回的運(yùn)輸過程，囊泡必須保證在眾多旅途中選擇到正確的那一條，這樣才能保證細(xì)胞正常的生理功能。

比如我們需要運(yùn)輸一些酶用來幫助完成特定功能，又或者呈遞一些蛋白分子來展示自己的身份。一旦運(yùn)輸通道上發(fā)生了堵車或者通道崩潰，細(xì)胞也將不復(fù)存在，這類繁忙通道上不能出現(xiàn)任何差錯(cuò)。

但直到上世紀(jì)70年代，我們基本上不清楚，細(xì)胞中的這些泡泡是怎樣做到如此精確的，它們從哪里來，為什么知道去哪里都是未解之謎。這些問題不僅是大家不知道，學(xué)界的普遍認(rèn)知更是認(rèn)為基本沒法弄清這些問題。直到有兩個(gè)人站出來要解決它們時(shí)，幾乎沒有人看好他們。

其中之一是生物化學(xué)家Randy Schekman，他在酵母中研究囊泡運(yùn)輸系統(tǒng)時(shí)，找到了兩株特殊的溫度敏感突變株，它們?cè)緫?yīng)該出現(xiàn)在細(xì)胞表面的酶，一直呆在了細(xì)胞內(nèi)部。很明顯，細(xì)胞里的運(yùn)輸系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。而電子顯微鏡下的觀測結(jié)果也確定了他的推測，囊泡像車禍現(xiàn)場一般全都堵在一起。

他也通過該突變體，確定了第一批被發(fā)現(xiàn)的分泌基因（secretory gene）SEC1和SEC2。而利用酵母實(shí)驗(yàn)，Schekman相繼發(fā)現(xiàn)了21種和囊泡分泌相關(guān)的基因。在突變體中，分泌基因的缺陷會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果，例如有的讓囊泡無法出芽，有的讓囊泡無法和膜融合。

與此同時(shí)，Rothman在體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)在抵達(dá)細(xì)胞表面的過程中，它們的糖鏈會(huì)獲得很多化學(xué)修飾。他發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)在高爾基體會(huì)獲得一種特別的修飾，能夠幫助它們抵抗一種酶的切割。如果蛋白質(zhì)沒有經(jīng)過高爾基體，那么它們會(huì)對(duì)該酶異常敏感。

▲重建的高爾基體（圖片來源：J Cell Biol. 2009 Nov 16; 187(4): 449–453. Openaccess）

Rothman用帶有放射性的蛋白質(zhì)驗(yàn)證了這一點(diǎn)，并且確認(rèn)了蛋白質(zhì)會(huì)按照順序依次通過不同的交通站點(diǎn)，比如從初始區(qū)域走向高爾基體再走向細(xì)胞表面，以此獲得對(duì)應(yīng)的分子修飾。而在這一系列站點(diǎn)中，高爾基體看似是最重要的核心關(guān)卡。

他邀請(qǐng)了電子顯微鏡專家Lelio Orci對(duì)這些運(yùn)輸?shù)哪遗葸M(jìn)行了仔細(xì)觀察。眼前的一幕讓他們感到驚訝，這些囊泡在剛剛出芽的時(shí)候會(huì)被一層外殼包裹，而到了高爾基體的隔室中這些外殼會(huì)消失，囊泡會(huì)融合。

恰好此時(shí)，Schekman的學(xué)生Novick發(fā)現(xiàn)，囊泡的運(yùn)輸過程需要GTP來完成轉(zhuǎn)運(yùn)的后期步驟，并且GTP會(huì)轉(zhuǎn)變成GDP。而Rothman設(shè)法抑制了GTP走向GDP這一步驟，他發(fā)現(xiàn)囊泡可以正常出芽，但是不會(huì)再融合了，這提示將GTP轉(zhuǎn)變成GDP的蛋白質(zhì)在囊泡運(yùn)輸中有重要作用。

而正因?yàn)檫@一現(xiàn)象，Rothman獲得了大量含有外殼的囊泡，并鑒定出了外殼蛋白由7種蛋白組成。其中一種蛋白就是用于結(jié)合GTP的，當(dāng)它結(jié)合了GTP時(shí)，會(huì)延展自己的脂肪鏈，這樣就能設(shè)法逃離水環(huán)境，朝著脂質(zhì)的膜前進(jìn)并與之結(jié)合。而與GDP結(jié)合時(shí)，蛋白質(zhì)會(huì)收起脂質(zhì)鏈。

▲斷層攝影下的高爾基體（圖片來源：J Cell Biol. 2009 Nov 16; 187(4): 449–453. Openaccess）

這種GTP-GDP開關(guān)，也決定了蛋白外殼的存在和囊泡出芽。GTP結(jié)合蛋白與膜連接時(shí)，能夠招募其他外殼蛋白，并讓它們自發(fā)地形成結(jié)構(gòu)，這也是幫助囊泡形成的關(guān)鍵。隨著囊泡形成，GTP結(jié)合蛋白會(huì)將GTP轉(zhuǎn)換成GDP，并且收回定位在膜上的錨，外殼蛋白便開始離開膜，帶著囊泡進(jìn)入下一站。

這也是為什么Rothman抑制這一步時(shí)能收集到大量外殼蛋白，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀诲^定在了膜上，沒有脫離膜進(jìn)入下一站。而Schekman在酵母中，同樣觀察到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的運(yùn)輸步驟會(huì)產(chǎn)生有著外殼蛋白的囊泡。

從哪里來，往哪里去

而囊泡從一個(gè)小芽出發(fā)是起點(diǎn)，而終點(diǎn)則都會(huì)走向融合。Rothman發(fā)現(xiàn)，一種名為NEM（N-乙基順丁烯二酰亞胺）的分子能阻止囊泡運(yùn)輸系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而在與Orci的合作中，他們發(fā)現(xiàn)，不同于暴露在GTP相關(guān)化合物下的囊泡，處于NEM環(huán)境中的囊泡是裸露的，外殼蛋白消失了。

此后，他確定囊泡融合過程中必需的NEM敏感因子（NSF），它在另一種結(jié)合蛋白（SNAP）的幫助下，可以錨定在目標(biāo)膜上。還記得Schekman早期發(fā)現(xiàn)的那些分泌基因嗎？NSF基因和SEC18具有高度相似性，而SNAP基因則與SEC17基因很相似。可以說，此刻Rothman和Schekman的研究終于走到了一起，囊泡運(yùn)輸?shù)目蚣芤呀?jīng)成立。

在探索SNAP和NSF作用機(jī)制的時(shí)候，他與自己實(shí)驗(yàn)室的博士后Thomas S?llner選取了大腦組織（NSF和SNAP的含量最高）來進(jìn)行探索。而這一決定，讓他們破解了過去大腦中的一個(gè)未解之謎。

在過去大家都知道有3種蛋白分子會(huì)出現(xiàn)在神經(jīng)傳輸信號(hào)的附近，但沒人知道它們的作用是什么。而這一次，Rothman和S?llner的實(shí)驗(yàn)確定，其中一種蛋白位于攜帶神經(jīng)遞質(zhì)的囊泡上，兩種在細(xì)胞膜上，用于幫助囊泡結(jié)合。這一發(fā)現(xiàn)也帶動(dòng)了一個(gè)新的蛋白領(lǐng)域出現(xiàn)，即SNARE（SNAP receptor）。

在Rothman的科學(xué)生涯中，物理學(xué)的影子從來沒有離去。無論是一開始領(lǐng)進(jìn)大門，多肽構(gòu)象涉及的統(tǒng)計(jì)力學(xué)，熱力學(xué)，還是生物膜用到的生物物理學(xué)。那種從多種原因、假設(shè)出發(fā)，找到特殊的解和結(jié)果的物理學(xué)正交思維，一直引導(dǎo)著他在生物學(xué)道路上越走越遠(yuǎn)。

注：原文有刪減

參考資料：

[1] The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2013. Retrieved Sep 6th 2021 from https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2013/summary/

[2] James E. Rothman – Facts. NobelPrize.org. Retrieved Sep 6th 2021 from https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2013/rothman/facts/

[3] Membrane fusion and organelle formation. Retrieved Sep 6th 2021 from https://laskerfoundation.org/winners/membrane-fusion-and-organelle-formation/