小議2012年諾貝爾化學獎

摘要：介紹了2012年諾貝爾化學獎獲得者——美國杜克大學教授羅伯特·洛夫科維茨和斯坦福大學教授布萊恩·克比爾卡，在G蛋白偶聯受體領域的開創性貢獻和引領性研究。分析了兩位科學家成功的因素，闡述了這一研究成果的價值和發展前景。

關鍵詞：諾貝爾化學獎；G蛋白偶聯受體；羅伯特·洛夫科維茨；布萊恩·克比爾卡

文章編號：1005—6629（2013）1—0003—04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 引言

2012年10月10日，諾貝爾委員會宣布將本年度化學獎授予兩位美國生物學家羅伯特·洛夫科維茨（Robert.Lefkowitz）和布萊恩·克比爾卡（Brian.Kobilka），以表彰他們在發現G蛋白偶聯受體（G-Protein-CoupledReceptors，縮寫為GPCRs）及其工作機制探索方面所做出的杰出貢獻。筆者作為一名長期從事藥物化學研究的科研人員，在獲知這一消息時首先感到一些不解，詫異于本年度化學獎會授予兩位醫生出身的生物學家。筆者正是帶著這樣的困惑，從_個化學工作者的角度去理解今年諾貝爾化學獎的工作及意義，并在此與大家分享。

我們知道，應激反應是生命體區別于非生物體的一個重要特征，生物體從而可以對外界環境的各種變化（如光、溫度、聲音及氣味等）做出動態反應。細胞作為人體最基本的結構和功能單位，其表面被一種“磷脂雙層”結構的細胞膜所包裹，以阻止外來有害物質的入侵，確保其內部生化環境的相對穩定。然而細胞并非是“閉關鎖國”孤立存在的，而是通過某種信號傳導機制，與外界時刻進行著信息傳遞，以保證各種生理過程的正常進行。細胞所具有的這種信息傳遞系統便是由位于細胞膜上的G蛋白偶聯受體作為主體通訊蛋白所構成的，它們就像是細胞的“信號接收器”，接收外界信號并傳導到細胞內部。

2 發現G蛋白偶聯受體家族

G蛋白偶聯受體是聯系細胞內外環境的橋梁。然而在20世紀60-70年代以前，人們并不了解細胞感知外部環境的具體機制，甚至許多資深科學家都懷疑細胞表面是否真的存在著某種受體。到了上世紀60年代末期，年輕的洛夫科維茨加入了美國國立衛生研究院（NIH）的醫生研究實習計劃，嘗試使用放射性同位素標記技術這一經典的化學手段對一些激素分子進行標記，以期尋找到這些激素分子的受體。激素分子被放射性同位素標記后，就如同被裝置了信號發射器，通過檢測放射信號，就可以對被標記激素分子的生理過程進行動態跟蹤。1970年他使用放射性碘-125標記促腎上腺素（Adrenocorticotropic Hormone，簡稱ACTH，一種多肽激素），初步證明在細胞的表面可能存在著某種受體。

第二年，洛夫科維茨使用放射性氫-3標記去甲腎上腺素（Norepinephrine），發現在狗心肌細胞中可能存在著受體。他還設計發明了使用親和層析柱的方法用于分離純化受體。他在瓊脂糖的側鏈上引入一個小的糖鏈，并通過該糖鏈人工引入去甲腎上腺素或者腎上腺素這類激素分子，這樣改造后的瓊脂糖柱就可以選擇性地吸附受體。到了1983年，他把純化后的可以與腎上腺素分子結合的受體蛋白轉入到不響應腎上腺素的細胞，發現細胞的表現與具有腎上腺素受體的細胞相同，讓人們真正相信了在細胞的表面確實存在著受體。

由于蛋白質是被基因（DNA）所編碼，然后再翻譯成蛋白質的。因此要想真正了解腎上腺素受體，還需要在龐大的人類基因組中尋找到編碼該蛋白的基因，即其DNA序列，并實現該基因的正確表達，即克隆。起始工作異常困難，采用已有方法反復試驗均告失敗，此時在洛夫科維茨實驗室做博士后的克比爾卡發揮了關鍵性作用，他大膽地提出了新的試驗方案。經組內熱烈討論后，洛夫科維茨最終同意了這一近乎“瘋狂”的研究方案。新方法很快獲得了成功，在1986年首次實現了編碼倉鼠B2腎上腺素受體基因的正確克隆。

隨后在對該受體蛋白的氨基酸序列進行分析時，他們發現B2腎上腺素受體的氨基酸序列與1984年報道的牛的“光受體”視紫質蛋白（Rhodopsin）具有顯著的相似性，二者都具有七次跨膜結構。洛夫科維茨和克比爾卡推斷視紫質蛋白和腎上腺素受體很可能屬于同一蛋白家族，有著相似的工作機制，同時這一家族還包含了很多重要的激素受體。就是這靈光一閃的推斷最終導致了G蛋白偶聯受體超家族的發現。目前已經發現了約1000多個受體蛋白成員。

3 G蛋白偶聯受體的工作機制研究

不同于化學小分子，G蛋白偶聯受體是一類生物大分子，是由350～1200個氨基酸殘基通過肽鍵首尾鏈接而成的一類細胞膜蛋白質。它們通過其特征性的七次跨膜螺旋“錨定”在細胞膜的磷脂雙層中，并由此組成了橫跨細胞膜的胞外和胞內兩個部分。外界環境中的各種信號分子（如嗅覺分子）可與其胞外部分結合，引起G蛋白偶聯受體空間形態發生改變，促使細胞內部分與G蛋白三聚體（Gα、Gβ和Gγ的復合物）結合并釋放出被激活的Gα蛋白，后者進一步激活相關酶，引發一系列級聯放大反應，最終表現為各種生理反應如嗅覺、視覺等。由于七次跨膜螺旋結構是該類蛋白的一個共有特征，因此人們傾向于將C蛋白偶聯受體稱為“七螺旋跨膜受體”，其工作機制如圖1所示。

然而要想在分子水平上研究腎上腺素受體的工作的具體細節，還需要獲得該蛋白的單晶，并通過晶體解析的方法獲得受體在原子水平上的空間形態信息。與視紫質蛋白不同，大部分的G蛋白偶聯受體在細胞內的含量很少，且具有復雜而柔韌的七次跨膜結構，有著多種空間形態，在培養單晶的過程中容易被降解或者變性失活。因此培養G蛋白偶聯受體的單晶是一項巨大的挑戰，在很長的一段時間里，人們一直無法獲得除視紫質蛋白以外的其他家族成員的單晶。

在發現腎上腺素受體以后，洛夫科維茨就已經著手嘗試結晶腎上腺素受體，而克比爾卡在成功獲得腎上腺素受體編碼基因后，也把解析腎上腺素受體的晶體結構作為自己未來的科研目標。1989年克比爾卡離開洛夫科維茨實驗室，經過了近20年孜孜不倦和艱苦卓越的研究，終于在2007年實現了除視紫質蛋白以外的首個非活性的G蛋白偶聯受體-β2腎上腺素受體的晶體結構解析。2011年初，克比爾卡實驗室又成功獲得了第一個處于活性狀態的β2腎上腺素受體結晶，很快又獲得了第一個處于活性狀態的腎上腺素受體與G蛋白結合后的蛋白復合物的晶體結構（見圖2）。這是一項振奮人心的科研成就，是人們第一次在原子水平上觀察到了G蛋白偶聯受體與G蛋白結合的詳細細節，此時腎上腺素受體的胞外部分與小分子結合，胞內部分則與G蛋白結合。其情形就像是扣動了手槍的扳機后，槍栓推動子彈正要發射的瞬間。作為今年化學獎的皇冠之作，諾貝爾評審委員會說，這一圖像是“分子水平上的杰作”，是幾十年研究的結晶，對于在分子水平上理解細胞的信號傳導機制具有重要而深遠的意義。

4 成功的秘訣

筆者認為洛夫科維茨和克比爾卡的成功是多種因素作用的必然結果，概括起來主要有以下五點：

（1）早期建立了大規模分離純化腎上腺素受體蛋白的技術平臺。在1979年洛夫科維茨實驗室利用腎上腺素受體親和層析以及抗體等技術手段，已經能夠在較大規模上分離純化腎上腺素受體，后期又實現了受體基因編碼的成功克隆，這些都保證了開展研究所需的蛋白來源。

（2）蛋白晶體學領域相關的結晶新方法以及高靈敏度晶體解析新技術的發展。1997年Maekinon用蛋白抗體的方法成功獲得了離子通道的晶體，脂立方技術的運用則使得結晶膜蛋白成為可能。

（3）知己知彼，百戰不殆。盡管腎上腺素受體結構復雜，空間形態多樣，但通過長期的研究中發現，受體蛋白某些位點上的結構改動并不會影響其整體形態的變化及其功能的正常發揮。因此他們想到可以先借助外力將受體蛋白“鎖定”在某種形態，然后對形態穩定后的蛋白進行結晶。使用小分子化合物與受體結合后，通過在腎上腺素受體的第三個細胞內環上插入溶菌酶以及與抗體共結晶這兩種技術手段，克比爾卡實驗室在2007年成功解析了β2腎上腺素受體的兩種晶體結構。此后關于G蛋白偶聯受體晶體解析的研究開始日趨活躍，特別是運用溶菌酶插入技術，已成功解析了許多G蛋白偶聯受體的晶體結構。

（4）興趣推動的勤奮與堅持。醫生在美國是受人羨慕的職業，兩位獲獎者都曾做過醫生，但出于對科學的熱愛，他們最終與G蛋白偶聯受體結緣并為之樂此不疲。特別是克比爾卡，他在離開洛夫科維茨實驗室后的前十幾年里_直沒有重大的突破，以至于霍華德休斯醫學研究所（一個有名的擅長支持長期高風險研究的機構）都失去了信心，并在2003年停止了研究經費的資助。在那段艱難的時間里，克比爾卡沒有條件招收博士后，就只能自己親手做實驗繼續他的研究，最終獲得了成功。克比爾卡自言，他的堅持是基于一種盲目的樂觀“問題總歸會解決的”，即我們所說的“車到山前必有路”。

（5）人格魅力。在克比爾卡的博士后學生杜洋眼中，他不僅是一個純粹的科學家，而且是一個接近于完美的人，做事低調，性格溫和，為人謙虛，堅韌執著，是非常合格的導師、丈夫和父親。他總是能顧及其他人的感受，從來不會對學生語氣生硬，更別說生氣。克比爾卡—直非常肯定眾多合作者的貢獻，給予公平的承認，讓每個合作者都心悅誠服。唯一的缺點可能就是他不太擅長和別人談論科研以外的話題，對媒體的采訪也很不適應，甚至于會覺得緊張。清華大學生命科學學院院長施一公教授說，克比爾卡是一個真正的科學英雄。

5 展望

作為細胞的“聰明受體”，G蛋白偶聯受體與我們的生活息息相關。它們廣泛參與了人類的感知、生殖、生長發育、神經和情感等多種生理過程和生命活動，與心臟病、糖尿病、腫瘤、免疫、感染性疾病以及精神類疾病等多種疾病的發生、發展和治療密切相關，半數以上的現代藥物都是通過G蛋白偶聯受體發揮作用的。但是G蛋白偶聯受體家族龐大，目前也只是開發了30%左右的G蛋白偶聯受體用于藥物開發，因此我們目前所獲得知識還只是冰山一角。隨著認識的深入以及新技術的發展，G蛋白偶聯受體的研究將會獲得更大的發展，并使整個制藥工業受益。

或許中科院生物物理研究所的王江云老師很早就悟出了今年諾貝爾化學獎的玄機，他在2012年10月23日的博文中這樣寫道：2012年諾貝爾化學獎頒給兩位生物學家，一方面是表彰兩位科學家在G蛋白偶聯受體領域奠基性的貢獻，同時也是對藥物化學家和有機化學家的褒獎，正是由于化學家們創造出了這么多非常有效的藥物，才使得洛夫科維茨和克比爾卡的基礎研究得以真正造福人類。也許，這才符合諾貝爾本人設立諾貝爾獎的初衷，即表彰那些能夠真正造福人類的重大發現和發明。