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2012年諾貝爾化學獎解讀

1. 細胞與敏感性

在我們的雙眼、鼻子和嘴中，有光、氣味和口味傳感器。在我們的身體內(nèi)，細胞對腎上腺素、羥色胺、組胺、多巴胺等荷爾蒙和信息素也有類似的傳感器。隨著生命的進化，細胞反復地使用同樣的基本機制來閱讀其周圍的環(huán)境：G-蛋白-偶聯(lián)的受體。然而，這些受體長期以來始終不肯在探求者面前揭開神秘的面紗。

那天，你工作到很晚。當你從一個偏僻的小站走回家時，月光照亮了天空。突然，你聽到背后有腳步聲。這聲音快速接近你。“沒什么可怕的”，你試圖告訴自己，“不過是另一個可憐的家伙工作太努力了”。但是，一種毛骨悚然的感覺還是籠罩了你——真的有什么東西尾隨著你……

你“倉惶”逃竄到家。當打開大門時，你全身顫抖，心在狂跳，呼吸緊促……

就在你的眼睛瞥見那快速逼近的魅影之時，你的整個身體都轉入一種逃逸狀態(tài)（圖1）。來自大腦的神經(jīng)信號給身體發(fā)出一個啟動警示。腦垂體釋放荷爾蒙到血流，喚醒腎上腺。腎上腺開始分泌皮質醇、腎上腺素和降腎上腺素，這些激素發(fā)出第二個警示：此時不逃更待何時！于是，脂肪細胞、肌肉細胞、肝臟、心臟、肺和血管都迅即做出反應。血液中涌入大量的糖和脂肪，支氣管擴張，心率加速——如此這般可以使你的肌肉獲得更多的能量和氧氣。目的是讓你盡可能快地跑開，以保住你的性命。

在人體中，數(shù)以萬億的細胞在相互關聯(lián)和相互影響著。它們中的絕大多數(shù)都有高度發(fā)達而又彼此不同的功能。有些存儲脂肪，有些記錄視覺印象；有些產(chǎn)生荷爾蒙，有些構成肌肉組織。為了我們能活動，我們的細胞必須協(xié)調(diào)工作，它們必須能感受到它們所處的環(huán)境并能知道周邊將要發(fā)生什么。為此，細胞需要傳感器。

細胞表面的傳感器被稱為受體。Robert J. Lefkowitz和Brian K. Kobilka被授予2012年諾貝爾化學獎就是因為他們描繪了一族被稱為G-蛋白-偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptors, GPCRs) 是如何工作的圖像。在這個蛋白質家族中，我們發(fā)現(xiàn)了腎上腺素、多巴胺、羥色胺、光、口味、氣味的受體。大多數(shù)生理過程都依賴于GPCRs。所有的藥物中大約半數(shù)通過這些受體發(fā)揮作用，β-阻斷藥，抗組氨酸和多種精神疾病藥物都在其中。

因此，對GPCRs的了解和認知對于人類裨益良多。但是，這些受體在科學家面前卻總是不肯現(xiàn)出廬山真面目。

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2. 受體——一個捉摸不定的謎

在十九世紀末，當科學家們開始試驗腎上腺素對人體的作用時，他們發(fā)現(xiàn)：腎上腺素使心率加快血壓升高，還使瞳孔松弛。因為他們懷疑腎上腺素是通過體內(nèi)的神經(jīng)細胞發(fā)揮作用的，所以他們對受試驗動物的神經(jīng)系統(tǒng)進行了麻醉。但是，腎上腺素自身的作用還是顯現(xiàn)出來。他們的結論是：細胞一定有某種受體，這些受體使細胞能夠感受到其周圍環(huán)境中的化學物質如荷爾蒙、毒劑、藥物。

然而當研究者試圖去找到這些受體時，他們卻一頭撞到墻上。他們想了解受體是什么樣子的以及它們?nèi)绾伟研盘杺鬟f到細胞。腎上腺素是被“管制”在細胞之外的，而這就足以導致其產(chǎn)生能夠測量細胞內(nèi)部的代謝上的變化。要知道每個細胞都有一堵墻——細胞膜：由脂肪分子構成一層膜把細胞與其外界環(huán)境分隔開來。那么，信號是怎樣穿越細胞膜的？細胞里面怎么會知道外面發(fā)生了什么？

幾十年來，受體一直未能被鑒定。盡管如此，科學家們還是設法研制對這些受體之一具有特殊藥效的藥物。上個世紀四十年代，美國科學家Raymond Ahlquist考察了不同的器官對各種腎上腺素類物質都做出怎樣的反應。他的工作使他得出結論：應該有兩種不同的腎上腺素受體——一種主要是促使血管中平滑肌細胞收縮，另一種主要是刺激心臟。他把它們命名為α-受體和β-受體。此后不久，科學家們研制出第一代-阻斷劑，這是一些現(xiàn)今我們常用的心臟病藥物。

毫無疑問，這類藥物在細胞中產(chǎn)生了作用，但它們怎么產(chǎn)生的作用仍然是未解之謎。我們現(xiàn)在知道為什么受體如此難以發(fā)現(xiàn)了：它們的數(shù)目相對較少而它們又大多數(shù)被包藏在細胞膜里面。二十年之后，就連Ahlquist自己也開始對他關于兩種不同受體的理論感到茫然了。他這樣寫道：“對我來說，它們就是一個我為了解釋觀察到的、組織對各種結構的化合物（類腎上腺素——譯者注）產(chǎn)生的響應而想象出來、抽象的概念”。

江山代有人才出。就在20世紀六十年代，今年的諾貝爾獎獲得者之一，Robert Lefkowitz走進了發(fā)現(xiàn)與研究這些受體的歷史。

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3. 引蛇出洞

這個年輕的優(yōu)等生那時已經(jīng)決定做一名心臟病專家。然而，他畢業(yè)于美越戰(zhàn)爭鏖戰(zhàn)正酣之際，他服役于聯(lián)邦研究所（NIH）的美國公共衛(wèi)生局。在那里，他接受了一個巨大的挑戰(zhàn)——尋找受體。

Lefkowitz的導師已經(jīng)有了一個研究計劃。他提出把碘的放射性同位素標記到荷爾蒙上。于是，當荷爾蒙與細胞表面結合時，來自碘的輻射就將使跟蹤受體的活動成為可能。不僅如此，為了強化他的案例，Lefkowitz還須證實荷爾蒙與細胞外表的耦合確實能夠誘發(fā)一個已知的在細胞內(nèi)部發(fā)生的過程。如果他能做成這項研究，就沒有人懷疑他實際上發(fā)現(xiàn)了有生物學功能的受體。

Lefkowitz從一種刺激腎上腺產(chǎn)生腎上腺素的促腎上腺皮質荷爾蒙開始研究工作。但是，好像怎么做都不成。就這樣一年過去了，他毫無進展；而本來就不是熱心做研究的Lefkowitz開始失望了。他繼續(xù)他的研究，卻沒有停止成為一位醫(yī)學博士的夢想。

項目進入到第二個年頭，Lefkowitz終于有些進展。1970年，他在兩個赫赫有名的雜志——《美國科學院院刊》(PNAS)和《科學》(Science)上發(fā)表了論文，論文中他概述了一個活性受體的發(fā)現(xiàn)。這些成績使他品嘗到做研究的快感，而后來他被北卡萊羅納的杜克大學招致麾下。倒不是他多么想去那里，而是那里的出價讓他無法拒絕。

在嶄新的實驗室里，Lefkowitz組建了自己的研究團隊。盡管看起來他永遠也不能成為一個心臟病專家了，可他仍然想著做些與心臟病相關的工作。于是，他開始關注腎上腺素和降腎上腺素的受體，即所謂的釋放腎上腺素的受體。利用放射性同位素標記物質，包括β阻斷劑，他的研究小組考察了這些受體是怎樣工作的。在微調(diào)了工具箱之后，他們掌握了從生物組織里提取一系列受體的高超技巧。

與此同時，關于細胞里面發(fā)生什么事情的知識也日益積累起來。研究者們發(fā)現(xiàn)：是他們稱之為G-蛋白（1994年獲得諾貝爾生理與醫(yī)學獎）的東西被來自受體的信號激活。G-蛋白繼而引發(fā)一連串的改變細胞代謝過程的反應。到了20世紀80年代初，科學家們開始獲得那些關于把信號從細胞外傳導到細胞內(nèi)的過程的認識（圖2）。

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4. 基因——打開黑室之門的一把鑰匙

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上個世紀80年代，Lefkowitz決定他的研究組應該嘗試去找到為β受體編碼的基因。這個決定對今年的諾貝爾獎來說是至關重要的。一個基因就像一本藍圖。它包含著一組編碼，當細胞把氨基酸連接起來制造一個蛋白質（例如一個受體）時，細胞就要讀取這編碼。Lefkowitz的想法是：如果自己的研究組能夠分離出這個基因并讀懂β受體的藍圖，那么他們就能找到關于受體如何工作的線索。

差不多與此同時，Lefkowitz雇用了一位名叫Brian Kobilka醫(yī)生。Kobilk對腎上腺素受體的癡迷來自于他在醫(yī)院做重癥護理期間的經(jīng)驗。缺少腎上腺素可謂生死攸關。荷爾蒙為腫脹的呼吸系統(tǒng)“開竅”并使心率加速。Kobilk想在其細微的分子水平的細節(jié)上研究腎上腺素的功效，于是他與Lefkowitz和他的研究團隊走到了一起。

Kobilka投入到尋找基因的工作中。但是，在上個世紀80年代，在體內(nèi)眾多的基因組中找到一個特定的基因猶如大海撈針（原文：find a needle in a haystack，此處譯作“大海撈針”——譯者）；技術上的挑戰(zhàn)使項目進展緩慢。然而Kobilka產(chǎn)生了一個創(chuàng)造性的想法使分離基因成為可能。帶著巨大的期望，研究者們開始分析基因編碼；結果顯示受體含有7條長且油的（原文long and fatty, 脂肪性的或者疏水的——譯者）螺旋狀的串——即所謂的螺旋結構（圖3）。這告訴科學家們：受體可能“上天入地”般的穿越細胞膜七次。（原文："the receptor probably winds its way back and forth through the cell wall seven times".從圖3和常識的角度，把細胞膜內(nèi)外比作“天”和“地”，受體分子的7個長的螺旋鏈前前后后跨膜過程就比喻性地譯作“上天入地”了。）

七次！這與在體內(nèi)其它地方已經(jīng)找到的另一個不同受體、即眼睛的視網(wǎng)膜上的感光受體視網(wǎng)膜色素一樣，都有同樣數(shù)目的串和同樣的螺旋形狀。一個想法產(chǎn)生了：盡管它們的功能完全不同，可這兩個受體能不能是相關的呢？

Lefkowitz后來把這描述成一個真正的“尤里卡時刻”（據(jù)說阿基米德在洗澡時發(fā)現(xiàn)了浮力定律，大叫著“eureka！eureka！”（找到了?。┨鲈「?。后人用“尤里卡時刻”(eureka moment)描述“眾里尋她千百度”終有發(fā)現(xiàn)時的無上喜悅之情?！g者）。他知道腎上腺素受體和視網(wǎng)膜色素二者都和細胞內(nèi)部的G-蛋白相互作用。他還知道大約有30中其它的受體也通過G-蛋白工作。結論是：一定有一個形體相仿而且以同樣方式發(fā)揮作用的完整的受體家族！

從這個開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)之后，謎團被一點一點解開。如今，科學家們對蛋白質偶聯(lián)受體(GPCRs)如何工作以及如何在分子水平上進行調(diào)節(jié)已經(jīng)了解入微。Lefkowitz和Kobilka一直處于這個科學旅程的最前頭，去年，即2011年，Kobilka和他的團隊報道了一個為他們的工作加冕的科學發(fā)現(xiàn)。

5. 給腎上腺素的作用成像

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成功地分離了基因之后，布萊恩·科比爾卡轉戰(zhàn)到在加利福尼亞的斯坦福大學醫(yī)學院。在那里，他開始了給受體成像的——這個在很多科研團體看來是不可企及的目標——“追夢之旅”；對科比爾卡來說，這將成為一次漫長的旅程。

給蛋白質成像是一個涉及諸多復雜步驟的過程。蛋白質尺寸太小，用常規(guī)的顯微鏡無法分辨。因此，科學家使用一種被稱為X-射線結晶學的方法。他們從培養(yǎng)晶體開始，就像水分子在冰晶中的堆積或者碳原子在金剛石中的堆積方式那樣，蛋白質分子在晶體中以某種對稱的方式緊密堆積。然后，研究者讓X-射線穿過蛋白質晶體。當射線碰到蛋白質后就發(fā)生散射。通過考察得到的衍射圖樣，科學家就能說出在原子和分子水平上蛋白質長的什么樣。

第一張蛋白質晶體結構的照片誕生于上個世紀50年代。此后，科學家們已經(jīng)給成千上萬的蛋白質照X-光片并成像。但是，大多數(shù)蛋白質是水溶性的，這對培養(yǎng)晶體是有利的。想給處于細胞的油脂性的細胞膜中的蛋白質成像卻寥寥無幾。在水中，這類蛋白質像油一樣不溶，它們易于形成一塊塊的脂肪。而且，GPCRs在本質上又是非常容易游動的（它們通過運動來傳遞信號），可是在晶體中，它們不得不保持幾乎完全不動。因此，讓它們形成晶體是一個相當大的挑戰(zhàn)。

找到一個解決這些問題的辦法花去了科比爾卡20年的時光。然而，感謝他的決心、他的創(chuàng)造性和他有著高超的分子生物學技巧的手，科比爾卡和他的研究組終于在2011年實現(xiàn)了他們的終極目標（圖3）：他們抓拍到了一個受體正在把來自細胞外面的荷爾蒙的信號傳遞到細胞里面的G-蛋白那一時刻的相片！

發(fā)表在《自然》（Nature）上的這張照片，展示了GPCRs工作時新的細節(jié)，例如，當它張開一個G-蛋白喜歡結合的孔時，這個被激活的受體看起來是什么樣子的（圖4）。在未來研發(fā)新藥時，這些知識將是非常有用的。

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6. 生命需要靈活機動

人類基因組圖譜已經(jīng)顯示有近千種為GPCRs編碼的基因。大約半數(shù)的受體接受氣味并構成嗅覺系統(tǒng)的一部分。其三分之一是荷爾蒙和諸如多巴胺、復合胺、前列腺素、胰增血糖素、組胺等信號物質的專用受體。有些受體捕捉射入眼睛的光線，有些則分布在舌尖上給我們味覺。還有一百多種受體仍然是科學家面臨的挑戰(zhàn)，因為它們的功能還未被認定。

除了發(fā)現(xiàn)受體有多種變體之外，以Lefkowitz和Kobilka為首的研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它們有多種功能；一種受體能夠識別細胞外面的幾種荷爾蒙。此外，在細胞里面，它們不僅與G-蛋白作用，而且與被稱作抑制蛋白（arrestins，一種與恐怖記憶相關的蛋白——譯者注）的蛋白質相互作用。認識到這些受體并不總是與G-蛋白偶聯(lián)的事實，使科學家們根據(jù)這些受體有七條穿越細胞膜的螺旋狀繩索的特征，把它們命名為七次跨膜蛋白(seven transmembrane, 7TM)。受體的數(shù)目眾多和受體的機動靈活使細胞具有生命所需的調(diào)節(jié)能力。

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讓我們重溫從車站出來后飛一般逃離的那一幕。當血液中充滿了腎上腺素時，不同的肌肉給出不同的響應。流向消化器官的血液減少；同時流向肌肉的血液增加。腎上腺素不同的效用依賴于我們體內(nèi)對這種荷爾蒙至少九種不同的受體。有些受體引發(fā)細胞活動，而另一些卻有鎮(zhèn)靜作用。

所以，下一次當你受到驚嚇的時候，品嘗美味佳肴的時候，或者凝望星空的時候，不妨想一想你的G-蛋白偶聯(lián)受體(GPCRs)。沒有它們，你的細胞就會各行其是不知所終，你的身體就將亂作一團不知所措。

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原文出自：The Nobel Prize in Chemistry 2012

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

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擴展閱讀：

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