細胞如何感受外界環(huán)境
——2012年度諾貝爾化學獎簡述

張德文 周穎琳 張新祥

(北京大學化學與分子工程學院 北京 100871)

當一杯咖啡擺在我們面前，我們能看見它的色澤，嗅到它的香味，嘗到它的味道。人體是如何感受到這些外環(huán)境的信息的？當我們遇到危險時，觸發(fā)應(yīng)急反應(yīng)，腎上腺髓質(zhì)釋放腎上腺素，促使瞳孔放大，心率加快，心臟收縮力增強，呼吸加快，骨骼肌血流量增加，消化系統(tǒng)血流量減少，肝糖原分解加強，釋放游離脂肪酸進入血液，保證了應(yīng)對緊急情況所需的能量。人體又是如何感受到內(nèi)環(huán)境中的激素的？

考慮生物體的基本組成單位是細胞，以上問題可以歸結(jié)為，細胞是如何感受外界環(huán)境中的信號分子(如光子、氣味和激素等)的？細胞被磷脂雙分子層的質(zhì)膜與外界環(huán)境隔開，需要通過細胞膜上的感受器(受體)將細胞外的信號分子的信息傳遞至細胞內(nèi)。受體的存在、結(jié)構(gòu)和功能困惑了科學家很長時間。細胞感受外界環(huán)境中的信號分子的這一過程是如何在分子水平上實現(xiàn)的？哪些分子參與了這一過程？信息是如何傳遞的？如何區(qū)別不同的信號分子？信號的調(diào)控過程是怎樣的？這一過程的每一步就像是圖1所示拼圖中的一塊，完成它花費了研究者近一個世紀的時間。

一個世紀以前，研究者發(fā)現(xiàn)功能性細胞膜表面可以感受外界的信號分子，在細胞內(nèi)產(chǎn)生功能性反應(yīng)，從而提出細胞膜表面存在能被配體激活的受體的概念[2-3]。早期的研究集中于組織對配體、競爭性或非競爭性抑制劑的響應(yīng)以及劑量響應(yīng)，并建立了經(jīng)典的受體理論[4]。值得注意的是，此時受體仍然是一個功能性的概念，人們對其結(jié)構(gòu)一無所知。20世紀40年代，美國科學家Raymond Ahlquist發(fā)現(xiàn)了兩種不同的腎上腺素受體，分別位于平滑肌細胞和心肌細胞上，命名為α和β受體。很快科學家發(fā)現(xiàn)了β受體的阻斷劑，這一類藥物具有顯著效果，但其作用機制依然是一團迷霧。20年后，甚至Ahlquist也開始對他的兩種不同受體的理論失望，感嘆道：“對我來說，它們(受體)只是一種抽象的概念，用來解釋組織對不同化合物的功能響應(yīng)。”

而此時，在受體被探明以前，第二信使學說建立了[5-6]。激素通過細胞內(nèi)的環(huán)腺苷酸(cAMP)發(fā)揮作用，激活一些蛋白激酶，導致細胞內(nèi)效應(yīng)。若將細胞外的信號稱為第一信使，cAMP則被稱為第二信使。cAMP通過腺苷酸環(huán)化酶催化產(chǎn)生。從此，腺苷酸環(huán)化酶活性成為細胞內(nèi)功能響應(yīng)的重要指標之一。第二信使學說因為揭示了激素的細胞內(nèi)作用機制獲得1971年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

20世紀60年代末，2012年度諾貝爾化學獎獲得者之一的Robert J.Lefkowitz進入了受體的研究歷史中。他面臨的巨大挑戰(zhàn)是找到受體。受體發(fā)現(xiàn)的技術(shù)上的第一次突破出現(xiàn)了，這就是放射性同位素標記配體的化學合成。Lefkowitz第一個成功合成了125I標記的促腎上腺皮質(zhì)激素，觀察到其與腎上腺皮質(zhì)的結(jié)合，并導致腺苷酸環(huán)化酶的激活，從而建立了受體的研究方法[7-8]。隨后，Lefkowitz在杜克大學建立了自己的實驗室和研究小組，致力于腎上腺素能受體的研究。通過放射性同位素標記的腎上腺素，β受體阻斷劑及親和色譜方法，Lefkowitz研究小組分離純化得到了β-腎上腺素能受體，從而成功找到了受體的結(jié)構(gòu)實體[9-10]。放射性同位素標記配體的方法極大地擴展了受體研究的領(lǐng)域，大量的受體被發(fā)現(xiàn)。

幾乎同時，在細胞內(nèi)信號傳導途徑中起著重要作用的G蛋白被發(fā)現(xiàn)了[11-13]。G蛋白即GTP結(jié)合蛋白，能夠結(jié)合GTP或GDP，又叫鳥苷酸結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白。由α、β、γ亞基組成，其中α亞基具有GTP酶活性。靜息狀態(tài)下，α、β、γ這3個亞基結(jié)合在一起，α亞基上結(jié)合GDP，此時G蛋白不具有活性。當G蛋白被激活時，α亞基上結(jié)合GTP，且與β、γ亞基分開，具有GTP酶活性的α亞基可激活腺苷酸環(huán)化酶，催化產(chǎn)生第二信使cAMP，導致細胞內(nèi)效應(yīng)。G蛋白在靜息狀態(tài)和活性狀態(tài)下轉(zhuǎn)換的過程為G蛋白循環(huán)。關(guān)于G蛋白的研究獲得了1994年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

G蛋白將細胞外的第一信使(如腎上腺素及其受體)與細胞內(nèi)的第二信使(如cAMP)聯(lián)系在一起。1980年，Lefkowitz及其合作者提出了受體激活機制的三元復合物傳感模型[14]。該三元復合物包含了細胞外的信號分子、跨膜的G蛋白偶聯(lián)受體和細胞內(nèi)的G蛋白。如圖1所示，G蛋白偶聯(lián)受體作為信號識別元件，識別并結(jié)合細胞外的信號分子，其構(gòu)象發(fā)生變化，使受體的細胞內(nèi)部分能夠結(jié)合并激活G蛋白，G蛋白被激活后解離為α亞基和β、γ亞基，具有GTP酶活性的α亞基導致細胞內(nèi)效應(yīng)，而新的G蛋白與G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合，發(fā)生新一輪的上述過程。這一模型將受體和G蛋白從功能上偶聯(lián)起來，但其三元復合物的結(jié)構(gòu)并沒有被觀察到，因為G蛋白結(jié)合被激活后解離為α亞基和β、γ亞基，從而解開三元復合物結(jié)構(gòu)。三元復合物是一個瞬間的中間態(tài)，難以如配體-受體復合物那樣被分離檢測到，因此在當時仍然只是一幅想象中的圖景，這一圖像真正的實現(xiàn)是在30年后。

圖1 細胞膜表面G蛋白偶聯(lián)受體感受激素并引發(fā)細胞內(nèi)反應(yīng)的過程[1](1) 激素在細胞膜外與G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合；(2) G蛋白偶聯(lián)受體構(gòu)象改變，在細胞膜內(nèi)與G蛋白結(jié)合，形成三元復合物，并激活G蛋白；(3) G蛋白被激活后解離為α亞基和β、γ亞基，具有GTP酶活性的α亞基導致細胞內(nèi)效應(yīng)；(4) 新的G蛋白與G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合。

20世紀80年代，Lefkowitz研究小組開始嘗試破解β-腎上腺素能受體的基因編碼，如果得到其基因序列，讀出β受體的氨基酸序列，就可能得到G蛋白偶聯(lián)受體的作用機制的線索。這一研究是G蛋白偶聯(lián)受體獲得2012年度諾貝爾化學獎的決定性原因之一。在當時，人類基因組計劃尚未開始，想要在人類基因組中找到一個特定的基因序列猶如大海撈針。幸運的是，Lefkowitz招到了一位年輕有為的博士后Brian K.Kobilka，他是2012年的另一位諾貝爾化學獎獲得者。Kobilka成功構(gòu)建了β腎上腺素能受體的基因文庫，并將其有效地用于該基因的克隆[15]。該基因沒有內(nèi)含子，因而能直接推得β腎上腺素能受體的氨基酸序列，然后出現(xiàn)了令人驚奇的結(jié)果：該受體含有7段疏水螺旋結(jié)構(gòu)，因此可以來回跨膜7次。一種奇妙的巧合出現(xiàn)了。在此之前，視網(wǎng)膜中感受光的受體蛋白視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)已被研究清楚，視紫紅質(zhì)同樣通過G蛋白發(fā)揮作用，且具有7次跨膜螺旋結(jié)構(gòu)。雖然激素和光的性質(zhì)完全不同，但這一巧合是否意味著兩種受體的結(jié)構(gòu)是有聯(lián)系的？“找到了！”Lefkowitz這樣描述這一時刻。7次跨膜螺旋和兩種受體蛋白跨膜區(qū)氨基酸序列的同源性意味著G蛋白偶聯(lián)受體有著共同的7次跨膜結(jié)構(gòu)，再加上當時已知的30多種與G蛋白偶聯(lián)的受體，這意味著一個全新的蛋白質(zhì)家族——G蛋白偶聯(lián)受體家族的誕生。這一結(jié)論進一步被第3種G蛋白偶聯(lián)受體——乙酰膽堿受體的序列所證實。隨著人類基因組計劃的完成，G蛋白偶聯(lián)受體家族基本確立，其中約1/2 屬于嗅覺受體，1/3 屬于激素受體，還有一些光受體和一些味覺受體，以及超過100種功能未知的受體。

圖2 G蛋白偶聯(lián)受體將細胞外的激素信號轉(zhuǎn)導至細胞內(nèi)G蛋白的圖像(A) Kobilka獲得的β腎上腺素能受體圖示，與細胞外的激素和細胞內(nèi)的G蛋白形成復合物；(B) β腎上腺素能受體激活的模型，當激素在細胞膜外與受體結(jié)合，引起受體細胞膜內(nèi)構(gòu)象改變，疏水區(qū)暴露，可與G蛋白結(jié)合[17]。

Kobilka接著去到斯坦福大學，致力于得到G蛋白偶聯(lián)受體及其三元復合物的圖像。蛋白質(zhì)的構(gòu)象可由X射線晶體衍射方法得到。水溶性的蛋白質(zhì)的晶體較容易獲得，但G蛋白偶聯(lián)受體位于細胞膜中，有7次跨膜的疏水螺旋，得到其與配體和G蛋白結(jié)合的活性構(gòu)象的圖像則很難。Kobilka研究小組用了20多年時間，終于在2011年實現(xiàn)了這一目標[16]，獲得了G蛋白偶聯(lián)受體將細胞外的激素信號轉(zhuǎn)導至細胞內(nèi)G蛋白的圖像(圖2)。當腎上腺素在細胞膜外與G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合時，會引起G蛋白偶聯(lián)受體細胞膜內(nèi)部分構(gòu)象的較大改變，包括第6螺旋的位移和疏水區(qū)的暴露，從而能夠與G蛋白的α亞基結(jié)合，并將其激活。圖2展現(xiàn)了一幅美妙的圖像，G蛋白偶聯(lián)受體的7次跨膜螺旋結(jié)構(gòu)被比喻為一束玫瑰花，當配體抓住其細胞外的一端，細胞內(nèi)的玫瑰花將被打開。這種細胞外側(cè)配體結(jié)合受體引起的較小的構(gòu)象變化導致細胞內(nèi)側(cè)受體構(gòu)象較大的變化，深刻地揭示了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。G蛋白偶聯(lián)受體作用機制的拼圖可以說基本完成了。

然而，科學探索是無止境的，我們在介紹G蛋白偶聯(lián)受體時，僅僅介紹了最主要的一種機制。值得注意的是，細胞感受外界信號的受體并非只有G蛋白偶聯(lián)受體這一個家族，還有離子通道偶聯(lián)受體、酪氨酸激酶偶聯(lián)受體等。進一步研究表明，G蛋白偶聯(lián)受體在細胞內(nèi)不僅僅是與G蛋白發(fā)生相互作用，還可以與一些抑制蛋白作用，這些認識使得科學家考慮使用更為嚴謹?shù)拿?次跨膜受體來取代G蛋白偶聯(lián)受體。

下一次，當一杯咖啡擺在我們面前，我們看見它的色澤，嗅到它的香味，嘗到它的味道的時候，不妨想一想G蛋白偶聯(lián)受體，是它讓我們感受到了這一切。

參 考 文 獻

[1] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2012/popular-chemistryprize2012.pdf

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[13] Gilman A G.AnnuRevBiochem,1987,56:615

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[15] Dixon R A,Kobilka B K,Strader D J,etal.Nature,1986,321:75

[16] Rasmussen S G,De Vree B T,Zou Y,etal.Nature,2011,477:549

[17] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2012/advanced-chemistryprize2012.pdf