カブリ賞プレゼンツ: 細胞の仕組みを理解する [後援]

ジェームズ・ロスマンは、神経伝達物質放出の分子基盤の発見により、2010 年にカブリ神経科学賞を共有しました。 生化学者はどのようにして神経科学の分野でこのような栄誉ある賞を受賞することができたのでしょうか?

このポッドキャストは、雑誌の編集委員会とは別の部門である Scientific American Custom Media によって、Kavli 賞のために制作されました。ミーガン・ホール：胃はどのようにして脳に満腹を伝えるのでしょうか？ 私たちの体の細胞はどのように成長し、分裂するのでしょうか? ジェームズ・ロスマンは、これらのプロセスの背後にある基本的な生物学が基本的に同じであることに気づきました。 2010 年に、神経細胞が顕微鏡レベルでどのように相互に通信するかを詳細に説明した研究により、リチャード シェラーおよびトーマス ズードホフと神経科学におけるカブリ賞を共有しました。 3年後、彼はノーベル賞を受賞した。

Scientific American Custom Media は、カブリ賞と提携して、ジェームズ氏にインタビューし、彼の発見とこの研究の将来について学びました。ホール：ジェームズ・ロスマンは、カブリ神経科学賞を受賞したとき嬉しい驚きを覚えました。ジェームズ・ロスマン：私はいつも自分のことを第一に生化学者、第二に細胞生物学者であると考えていました。 そして、私は自分が神経科学者であるとはまったく思っていませんでした。ホール：彼は大学院で神経科学プログラムに応募しました...ロスマン:私が入学を認められなかったことを除けば、すべては非常に理にかなっていました。ホール：しかし、ジェームズはレッテルを気にするような人物ではない。 実際、彼はさまざまな科学分野を研究してきました。 イェール大学の学部生として、彼は物理学を学びましたが、これはおそらく彼が 1950 年代に育ったことも影響しています。ロスマン: 1950 年代に最も賞賛されたのは科学者と医師でした。 そしてそれは特に物理学者でした。 アインシュタイン、オッペンハイマー、そういう人たち。ホール：しかし、父親はジェームズのキャリアの選択肢を心配し、生物学のコースに挑戦するよう説得した。ロスマン:そして私はただ恋に落ちました。ホール：そこで彼は物理学を捨て、生物学についてもっと学ぶためにハーバード大学医学部に行くことにしました。ロスマン:結局、医学部を卒業することはできませんでした。ホール：しかし、そこにいる間に、彼は自分の生涯の仕事に遭遇しました。ロスマン:私は医学生の1年生で、組織学と細胞生物学のコースの講義を聞いていました。ホール：教授は、ほんの数十年前に科学者によって撮影された画像を見せていました。 彼らは、細胞がいかに複雑であるかを初めて示しました。

ロスマン:細胞は、内部にただの小さな液体のようなものではありません。 非常に組織化された場所です。 何よりも都会っぽいですね。

ホール：この細胞内の都市には、情報を共有する部門、タンパク質を構築する工場、さらにはそれらのタンパク質を細胞内で移動させ、細胞外に放出するための機械さえあります。ロスマン:そして、タンパク質が間違った場所に行くと、細胞の組織は失われ、もはや生き残ることができなくなります。ホール：ジェームズは魅了されました。 彼は、この複雑さはどのように機能するのかと疑問に思いました。 細胞内で形成されたタンパク質はどのようにして適切な場所に移動するのでしょうか?ロスマン:そして、貨物や作動部品を工場の出発地から流通システムの倉庫を通って最終目的地まで運ぶ、ある種の別の機械が必要です。私はそれを配送トラックと呼びます。 。ホール：当時、細胞生物学者のジョージ・パラードは、「小胞」と呼ばれる液体で満たされた小さな袋がそれに関係していると推測しました。ロスマン:小胞は、小さな小さな風船のような小さなボールです。 それは最小の原子である水素原子 500 個または 1,000 個よりも大きくありません。 そして、細胞には一度に何万ものこの小さな小胞があります。ホール：そしてそれらはどこにでもあります...ロスマン:これらの小さな小さな小胞は自然界のいたるところに見られます。 それらはあらゆる神経終末に存在し、消化管全体に存在し、例えばインスリンを貯蔵する胃腸管、特に膵臓に存在します。 そして、それらは体のいたるところに見られます。 後にノーベル賞を受賞したジョージ・パラードは、これらの小胞がタンパク質を体内に移動させるための輸送トラックであると考えた。 しかし彼はそれを証明できなかった。 彼は、何種類の配送トラックや小胞があるのか​​把握できませんでした。 そして、彼は実際に、彼らがどこからどこへ行くまで独房内で彼らを追跡することもできませんでした。ホール：そして最も重要なことは、小胞がタンパク質を拾い上げて適切な目的地に届けることを可能にするメカニズムを彼が説明できなかったことです。ホール：では、あなたの仕事はこれらすべての詳細を把握することでしたか？ロスマン:はい、それを仕事にしました。ホール：しかし、どうやって？ ジェームズは、細胞内で起こっていることはすべて基本的に単なる化学反応であるという生化学の基本的な前提を引き出すことから始めました。 そして、その化学反応を分離できれば、それがどのように機能するかを理解することができます。ロスマン:そして、それを行う手段は、最初に、そして常に、どんなに複雑であっても、生細胞の外でプロセスを再現することです。ホール：そこで彼は、輸送小胞がどのように機能するかを研究する最良の方法は、細胞を壊して試験管内で小胞を再作成することであると判断しました。ロスマン:そして立体的な構成は息を呑むほどでした。 細胞の各部分は各細胞の同じ場所にありました。 私はやって来て、「あの組織を混乱させるつもりだ」と言いました。ホール：生化学者はこのアプローチを使用して、タンパク質がどのように作られるかから、エネルギーが細胞にどのように蓄えられるかまで、あらゆる種類のことを理解していました。ロスマン:そして、まだ存在していなかった唯一のことは、細胞自体の三次元組織を決定するまさにそのプロセスを細胞の外で再現することができるだろうかということです。 これは、25 歳の若い科学者だった私が立てた仮定であり、ご存知の通り、私は間違っていたかもしれません。ホール：結局のところ、彼は正しかったのです。 スタンフォード大学の博士研究員として長年試行錯誤を重ねた結果、小胞が細胞内の特定の場所にタンパク質を輸送するプロセス全体を再現することができた。ロスマン:これらの小胞を取り出して細胞抽出物に戻すことができます。 そして、まるで生きている独房にいるかのように、貨物を正確に適切な場所に届けます。ホール：これらの小胞を再現し、それらがどのようにタンパク質を輸送するかを研究した後、ジェームズはすぐに、そのプロセスが荷物の配達方法と似ていることを発見しました。ロスマン:各パッケージには追跡番号のようなバーコードが付いています。 トラックは出発し、正しい追跡番号を使用して配達物を降ろさなければなりません。ホール：しかし、小胞には番号を追跡する代わりに、v-スネアタンパク質と呼ばれるものが刻印されています。 これらの小胞は、T スネアと呼ばれる、周囲を漂い、一致するものを探して目的地に到達します。 2 つのスネアが接触すると、所定の位置にロックまたは融合します。ロスマン:これらのスネアタンパク質は、植物、酵母、人間の中に存在します。 スネアタンパク質が異なる種、生物体内の異なる場所や時間で機能することを可能にする微妙な違いがあります。 しかし、基本的な物理原理は一般的です。ホール：この原理は非常に一般的であるため、ジェームズはこれらのスネアタンパク質がどのように機能するかを理解しようとしていたときに、誤って神経科学からの質問を解決しました。ロスマン:私の博士研究員は、これらのスネアタンパク質の測定方法は知っていましたが、それらが何でできているかは知りませんでした。 そのため、どこでそれらを最大限に活用すればよいのかわかりませんでした。ホール：そこで彼らは、高濃度のスネアタンパク質を見つけるのに最適な場所を探して、さまざまな組織サンプルの検査を開始しました。ロスマン:そしてそれは脳であることが判明しました。ホール：彼らは、牛の脳から採取したサンプルを使用して、これらのスネアタンパク質を単離および精製しました。ロスマン:そしてそれを同定すると、すでに知られているタンパク質が存在することが分かりました。ホール：神経科学者は、脳内のニューロンがシナプスと呼ばれるニューロン間の小さな隙間を介してどのように接続し、通信するかを理解するために、すでに同じ種類のサンプルを調べていました。ロスマン:私たちは意図的にそうしようとしたのではなく、より一般的な問題を解決したかったのです。ホール：しかし結局のところ、小胞と小胞がどのようにタンパク質を輸送するのかという一般的な質問には、脳内のシナプス間で情報を共有するために小胞がどのように同じことを行うのかという、より具体的な質問にも答えられたことが判明した。 すべてはこれらのスネアタンパク質にありました。ロスマン:そして、それらがシナプス内のサブセットと同じであることがわかれば、それらを正確に特定して、「シナプス小胞はそのように機能する」と言うことができます。 それは一般原則の一部です。ホール：ジェームズは、脳の仕組みに関する重要な疑問を図らずも解決してしまいました。 非常に重要なことで、彼はカブリ賞を受賞しました。 ハーバード大学の神経科学科に入学できなかった人にとっては悪くない。 ジェームズは、すべてはそうなるべくして起こった、と言う。ロスマン:実際に細胞生物学のより広範な問題を解決しようとしていたときに、途中で本質的に偶然に神経科学の問題を解決できたのは、幸運にも神経科学から拒否されたからにほかなりません。それは面白いことではありませんか？ホール：ジェームズ氏は、自分の研究時代は細胞の仕組みを理解することにあったが、科学者たちはそこに含まれる謎の物質についても理解を深め始めていると語る。ロスマン:これらの機械が結合して、連続固体、液体、またはゴム状弾性体のように動作する材料を形成する生物学的材料があります。 実はとても不思議なことなのです。ホール：これらの奇妙な物質を理解することで、医学へのアプローチが変わり、体の機能についての理解が深まる可能性があると彼は言います。ロスマン:私たちは今日、細胞のどの部分の状態の変化を見ていきますが、それはまだ理解されていません。そして、それらを操作する方法を学び、それらは病気で変化します。ホール：これらの謎を解明しようとしている若い科学者への彼からのアドバイスは何ですか?ロスマン:ああ、それは簡単です。 古い科学者のアドバイスを決して受け入れないでください。ホール：同氏は、今日の研究者は、大きなリスクを負って長期間にわたって研究に取り組むための自由や資金の減少など、同氏が経験したのとは異なる課題に直面していると述べた。 しかし、一般的なアドバイスをできるとしたら、米国は基礎研究への資金を増やすべきだ、そのため彼のような献身的な科学者は意図的または偶然に重要な発見に遭遇する可能性が高い、と彼は言うだろう。ホール：ジェームズ・ロスマン教授は、イェール大学医学部の細胞生物学科の学部長であり、生化学者であり細胞生物学者でもあります。

2010 年には、リチャード H. シェラーおよびトーマス C. ズードホフと神経科学分野のカブリ賞を共同受賞しました。

カブリ賞は、天体物理学、ナノサイエンス、神経科学における画期的な進歩により、大きなもの、小さなもの、複雑なものに対する私たちの理解を変革した科学者を表彰します。

カブリ賞は、ノルウェー科学文学アカデミー、ノルウェー教育研究省、米国に拠点を置くカブリ財団のパートナーシップにより設立されました。

この研究は、Scientific American Custom Media によって制作され、Kavli 賞の支援によって可能になりました。