2012年诺贝尔化学奖解读

在我们的双眼、鼻子和嘴中，有光、气味和口味传感器。在我们的身体内，细胞对肾上腺素、羟色胺、组胺、多巴胺等荷尔蒙和信息素也有类似的传感器。随着生命的进化，细胞反复地使用同样的基本机制来阅读其周围的环境：G-蛋白-偶联的受体。然而，这些受体长期以来始终不肯在探求者面前揭开神秘的面纱。

那天，你工作到很晚。当你从一个偏僻的小站走回家时，月光照亮了天空。突然，你听到背后有脚步声。这声音快速接近你。“没什么可怕的”，你试图告诉自己，“不过是另一个可怜的家伙工作太努力了”。但是，一种毛骨悚然的感觉还是笼罩了你——真的有什么东西尾随着你……

你“仓惶”逃窜到家。当打开大门时，你全身颤抖，心在狂跳，呼吸紧促……

就在你的眼睛瞥见那快速逼近的魅影之时，你的整个身体都转入一种逃逸状态（图1）。来自大脑的神经信号给身体发出一个启动警示。脑垂体释放荷尔蒙到血流，唤醒肾上腺。肾上腺开始分泌皮质醇、肾上腺素和降肾上腺素，这些激素发出第二个警示：此时不逃更待何时！于是，脂肪细胞、肌肉细胞、肝脏、心脏、肺和血管都迅即做出反应。血液中涌入大量的糖和脂肪，支气管扩张，心率加速——如此这般可以使你的肌肉获得更多的能量和氧气。目的是让你尽可能快地跑开，以保住你的性命。

在人体中，数以万亿的细胞在相互关联和相互影响着。它们中的绝大多数都有高度发达而又彼此不同的功能。有些存储脂肪，有些记录视觉印象；有些产生荷尔蒙，有些构成肌肉组织。为了我们能活动，我们的细胞必须协调工作，它们必须能感受到它们所处的环境并能知道周边将要发生什么。为此，细胞需要传感器。

细胞表面的传感器被称为受体。Robert J. Lefkowitz和Brian K. Kobilka被授予2012年诺贝尔化学奖就是因为他们描绘了一族被称为G-蛋白-偶联受体(G-protein-coupled receptors, GPCRs) 是如何工作的图像。在这个蛋白质家族中，我们发现了肾上腺素、多巴胺、羟色胺、光、口味、气味的受体。大多数生理过程都依赖于GPCRs。所有的药物中大约半数通过这些受体发挥作用，β-阻断药，抗组氨酸和多种精神疾病药物都在其中。

因此，对GPCRs的了解和认知对于人类裨益良多。但是，这些受体在科学家面前却总是不肯现出庐山真面目。

 

在十九世纪末，当科学家们开始试验肾上腺素对人体的作用时，他们发现：肾上腺素使心率加快血压升高，还使瞳孔松弛。因为他们怀疑肾上腺素是通过体内的神经细胞发挥作用的，所以他们对受试验动物的神经系统进行了麻醉。但是，肾上腺素自身的作用还是显现出来。他们的结论是：细胞一定有某种受体，这些受体使细胞能够感受到其周围环境中的化学物质如荷尔蒙、毒剂、药物。

然而当研究者试图去找到这些受体时，他们却一头撞到墙上。他们想了解受体是什么样子的以及它们如何把信号传递到细胞。肾上腺素是被“管制”在细胞之外的，而这就足以导致其产生能够测量细胞内部的代谢上的变化。要知道每个细胞都有一堵墙——细胞膜：由脂肪分子构成一层膜把细胞与其外界环境分隔开来。那么，信号是怎样穿越细胞膜的？细胞里面怎么会知道外面发生了什么？

几十年来，受体一直未能被鉴定。尽管如此，科学家们还是设法研制对这些受体之一具有特殊药效的药物。上个世纪四十年代，美国科学家Raymond Ahlquist考察了不同的器官对各种肾上腺素类物质都做出怎样的反应。他的工作使他得出结论：应该有两种不同的肾上腺素受体——一种主要是促使血管中平滑肌细胞收缩，另一种主要是刺激心脏。他把它们命名为α-受体和β-受体。此后不久，科学家们研制出第一代-阻断剂，这是一些现今我们常用的心脏病药物。

毫无疑问，这类药物在细胞中产生了作用，但它们怎么产生的作用仍然是未解之谜。我们现在知道为什么受体如此难以发现了：它们的数目相对较少而它们又大多数被包藏在细胞膜里面。二十年之后，就连Ahlquist自己也开始对他关于两种不同受体的理论感到茫然了。他这样写道：“对我来说，它们就是一个我为了解释观察到的、组织对各种结构的化合物（类肾上腺素——译者注）产生的响应而想象出来、抽象的概念”。

江山代有人才出。就在20世纪六十年代，今年的诺贝尔奖获得者之一，Robert Lefkowitz走进了发现与研究这些受体的历史。

 

这个年轻的优等生那时已经决定做一名心脏病专家。然而，他毕业于美越战争鏖战正酣之际，他服役于联邦研究所（NIH）的美国公共卫生局。在那里，他接受了一个巨大的挑战——寻找受体。

Lefkowitz的导师已经有了一个研究计划。他提出把碘的放射性同位素标记到荷尔蒙上。于是，当荷尔蒙与细胞表面结合时，来自碘的辐射就将使跟踪受体的活动成为可能。不仅如此，为了强化他的案例，Lefkowitz还须证实荷尔蒙与细胞外表的耦合确实能够诱发一个已知的在细胞内部发生的过程。如果他能做成这项研究，就没有人怀疑他实际上发现了有生物学功能的受体。

Lefkowitz从一种刺激肾上腺产生肾上腺素的促肾上腺皮质荷尔蒙开始研究工作。但是，好像怎么做都不成。就这样一年过去了，他毫无进展；而本来就不是热心做研究的Lefkowitz开始失望了。他继续他的研究，却没有停止成为一位医学博士的梦想。

项目进入到第二个年头，Lefkowitz终于有些进展。1970年，他在两个赫赫有名的杂志——《美国科学院院刊》(PNAS)和《科学》(Science)上发表了论文，论文中他概述了一个活性受体的发现。这些成绩使他品尝到做研究的快感，而后来他被北卡莱罗纳的杜克大学招致麾下。倒不是他多么想去那里，而是那里的出价让他无法拒绝。

在崭新的实验室里，Lefkowitz组建了自己的研究团队。尽管看起来他永远也不能成为一个心脏病专家了，可他仍然想着做些与心脏病相关的工作。于是，他开始关注肾上腺素和降肾上腺素的受体，即所谓的释放肾上腺素的受体。利用放射性同位素标记物质，包括β阻断剂，他的研究小组考察了这些受体是怎样工作的。在微调了工具箱之后，他们掌握了从生物组织里提取一系列受体的高超技巧。

与此同时，关于细胞里面发生什么事情的知识也日益积累起来。研究者们发现：是他们称之为G-蛋白（1994年获得诺贝尔生理与医学奖）的东西被来自受体的信号激活。G-蛋白继而引发一连串的改变细胞代谢过程的反应。到了20世纪80年代初，科学家们开始获得那些关于把信号从细胞外传导到细胞内的过程的认识（图2）。

 

 

上个世纪80年代，Lefkowitz决定他的研究组应该尝试去找到为β受体编码的基因。这个决定对今年的诺贝尔奖来说是至关重要的。一个基因就像一本蓝图。它包含着一组编码，当细胞把氨基酸连接起来制造一个蛋白质（例如一个受体）时，细胞就要读取这编码。Lefkowitz的想法是：如果自己的研究组能够分离出这个基因并读懂β受体的蓝图，那么他们就能找到关于受体如何工作的线索。

差不多与此同时，Lefkowitz雇用了一位名叫Brian Kobilka医生。Kobilk对肾上腺素受体的痴迷来自于他在医院做重症护理期间的经验。缺少肾上腺素可谓生死攸关。荷尔蒙为肿胀的呼吸系统“开窍”并使心率加速。Kobilk想在其细微的分子水平的细节上研究肾上腺素的功效，于是他与Lefkowitz和他的研究团队走到了一起。

Kobilka投入到寻找基因的工作中。但是，在上个世纪80年代，在体内众多的基因组中找到一个特定的基因犹如大海捞针（原文：find a needle in a haystack，此处译作“大海捞针”——译者）；技术上的挑战使项目进展缓慢。然而Kobilka产生了一个创造性的想法使分离基因成为可能。带着巨大的期望，研究者们开始分析基因编码；结果显示受体含有7条长且油的（原文long and fatty, 脂肪性的或者疏水的——译者）螺旋状的串——即所谓的螺旋结构（图3）。这告诉科学家们：受体可能“上天入地”般的穿越细胞膜七次。（原文："the receptor probably winds its way back and forth through the cell wall seven times".从图3和常识的角度，把细胞膜内外比作“天”和“地”，受体分子的7个长的螺旋链前前后后跨膜过程就比喻性地译作“上天入地”了。）

七次！这与在体内其它地方已经找到的另一个不同受体、即眼睛的视网膜上的感光受体视网膜色素一样，都有同样数目的串和同样的螺旋形状。一个想法产生了：尽管它们的功能完全不同，可这两个受体能不能是相关的呢？

Lefkowitz后来把这描述成一个真正的“尤里卡时刻”（据说阿基米德在洗澡时发现了浮力定律，大叫着“eureka！eureka！”（找到了！）跳出浴缸。后人用“尤里卡时刻”(eureka moment)描述“众里寻她千百度”终有发现时的无上喜悦之情。——译者）。他知道肾上腺素受体和视网膜色素二者都和细胞内部的G-蛋白相互作用。他还知道大约有30中其它的受体也通过G-蛋白工作。结论是：一定有一个形体相仿而且以同样方式发挥作用的完整的受体家族！

从这个开创性的发现之后，谜团被一点一点解开。如今，科学家们对蛋白质偶联受体(GPCRs)如何工作以及如何在分子水平上进行调节已经了解入微。Lefkowitz和Kobilka一直处于这个科学旅程的最前头，去年，即2011年，Kobilka和他的团队报道了一个为他们的工作加冕的科学发现。

 

成功地分离了基因之后，布莱恩·科比尔卡转战到在加利福尼亚的斯坦福大学医学院。在那里，他开始了给受体成像的——这个在很多科研团体看来是不可企及的目标——“追梦之旅”；对科比尔卡来说，这将成为一次漫长的旅程。

给蛋白质成像是一个涉及诸多复杂步骤的过程。蛋白质尺寸太小，用常规的显微镜无法分辨。因此，科学家使用一种被称为X-射线结晶学的方法。他们从培养晶体开始，就像水分子在冰晶中的堆积或者碳原子在金刚石中的堆积方式那样，蛋白质分子在晶体中以某种对称的方式紧密堆积。然后，研究者让X-射线穿过蛋白质晶体。当射线碰到蛋白质后就发生散射。通过考察得到的衍射图样，科学家就能说出在原子和分子水平上蛋白质长的什么样。

第一张蛋白质晶体结构的照片诞生于上个世纪50年代。此后，科学家们已经给成千上万的蛋白质照X-光片并成像。但是，大多数蛋白质是水溶性的，这对培养晶体是有利的。想给处于细胞的油脂性的细胞膜中的蛋白质成像却寥寥无几。在水中，这类蛋白质像油一样不溶，它们易于形成一块块的脂肪。而且，GPCRs在本质上又是非常容易游动的（它们通过运动来传递信号），可是在晶体中，它们不得不保持几乎完全不动。因此，让它们形成晶体是一个相当大的挑战。

找到一个解决这些问题的办法花去了科比尔卡20年的时光。然而，感谢他的决心、他的创造性和他有着高超的分子生物学技巧的手，科比尔卡和他的研究组终于在2011年实现了他们的终极目标（图3）：他们抓拍到了一个受体正在把来自细胞外面的荷尔蒙的信号传递到细胞里面的G-蛋白那一时刻的相片！

发表在《自然》（Nature）上的这张照片，展示了GPCRs工作时新的细节，例如，当它张开一个G-蛋白喜欢结合的孔时，这个被激活的受体看起来是什么样子的（图4）。在未来研发新药时，这些知识将是非常有用的。

 

人类基因组图谱已经显示有近千种为GPCRs编码的基因。大约半数的受体接受气味并构成嗅觉系统的一部分。其三分之一是荷尔蒙和诸如多巴胺、复合胺、前列腺素、胰增血糖素、组胺等信号物质的专用受体。有些受体捕捉射入眼睛的光线，有些则分布在舌尖上给我们味觉。还有一百多种受体仍然是科学家面临的挑战，因为它们的功能还未被认定。

除了发现受体有多种变体之外，以Lefkowitz和Kobilka为首的研究者已经发现它们有多种功能；一种受体能够识别细胞外面的几种荷尔蒙。此外，在细胞里面，它们不仅与G-蛋白作用，而且与被称作抑制蛋白（arrestins，一种与恐怖记忆相关的蛋白——译者注）的蛋白质相互作用。认识到这些受体并不总是与G-蛋白偶联的事实，使科学家们根据这些受体有七条穿越细胞膜的螺旋状绳索的特征，把它们命名为七次跨膜蛋白(seven transmembrane, 7TM)。受体的数目众多和受体的机动灵活使细胞具有生命所需的调节能力。

 

让我们重温从车站出来后飞一般逃离的那一幕。当血液中充满了肾上腺素时，不同的肌肉给出不同的响应。流向消化器官的血液减少；同时流向肌肉的血液增加。肾上腺素不同的效用依赖于我们体内对这种荷尔蒙至少九种不同的受体。有些受体引发细胞活动，而另一些却有镇静作用。

所以，下一次当你受到惊吓的时候，品尝美味佳肴的时候，或者凝望星空的时候，不妨想一想你的G-蛋白偶联受体(GPCRs)。没有它们，你的细胞就会各行其是不知所终，你的身体就将乱作一团不知所措。

 

原文出自：The Nobel Prize in Chemistry 2012

êThe Royal Swedish Academy of Sciencesê http://kva.se

 

扩展阅读：

1. Buchen, L. (2011) Cell signalling caught in the act, Nature 475:273–274.

2. Buchen, L. (2011) It’s all about the structure, Nature 476: 387–390.

3. Snyderman, R. (2011) Introduction of Robert J. Lefkowitz, J. Clin. Invest. 121(10):4192–4200.

4. Williams, R. (2010) Robert Lefkowitz: Godfather of G Protein-Coupled Receptors, Circ. Res. 106:812–814.

1. Lefkowitz, R. J. (2010) Part 1 Seven Transmembrane Receptors

2. Lefkowitz, R. J. (2010) Part 2 Beta-arrestins