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1、细胞表面的聪明受体作者:王曼 徐华强来源:科学杂志（上海）录入:Admin字体：构成生物体数以亿计的细胞并非孤立地存在，而是一直处于互相联系中，感知周围环境的变化， 作出相应反应，因为它们表面有“聪明”的受体。强光使人闭眼、花香使人愉悦、黑暗使人恐惧，你有没有想过，人的大脑是如何感知外部环 境变化并作出反应的？人的身体由数万亿个细胞组成并精密协调地工作，完成各种生理功能，这其中又是 什么充当传感器来传递信息，使细胞感知周围环境。这些问题一直是个谜，在20世纪的大部分时间里，人 们不清楚充当传感器的这些物质是由什么组成的，以及它们如何工作。两位医生出身的科学家经过不懈的 努力，揭示了其中的奥秘：
2、细胞表面存在着一类称为G蛋白偶联受体（G-protein-coupled receptor，简称GPCR） 的蛋白质，它将从外界接受的不同信号分子，通过自身构象的变化激活细胞内异源三聚体的鸟苷酸结合蛋 白（即G蛋白），后者将信号传至胞内的效应分子引起反应。这两位科学家是美国霍华德休斯医学研究所和美国杜克大学医学中心医学教授莱夫科维茨（Robert Joseph Lefkowitz），斯坦福大学医学院分子与细胞生理学教授科比尔卡（Brian Kent Kobilka ）。因为他们突 破性地揭示了 G蛋白偶联受体的内在工作机制，共同获得了2012年度诺贝尔化学奖。莱夫科维茨1968年利 用放射性追
3、踪细胞受体，将碘同位素标记糖皮质激素和肾上腺素，证明了受体独立于腺苷酸环化酶（AC） 的存在，随后分离纯化了 0 2肾上腺素能受体（0 2-adrenergic receptor），证实了细胞表面受体的存在。后 加入的科比尔卡则将编码0 -肾上腺素能受体的基因从人类基因组中分离出来，并创造性地获得了 0 -肾上 腺素能受体被激素激活并向细胞发送信号的精确图像，弄清了它的三维结构及其信号转导机制。什么是G蛋白偶联受体生物体的基本单位是细胞，细胞由细胞膜及其内的细胞质和细胞核组成，外界信号进入细胞首先要通 过细胞膜，水和氧气等小分子物质能自由通过，而某些离子和大分子物质则不能自由通过。因此，细胞膜
4、 除了起着保护细胞内部的作用外，还有控制物质进出的作用。电子显微镜的观察显示，细胞膜的基本骨架 是磷脂双分子层，其外侧和内侧还不同深度地镶嵌着很多蛋白质分子，或覆盖于磷脂双分子层表面，亦称 细胞膜表面蛋白。这些蛋白质起着控制物质进出的作用，包括将外界信号传递到细胞内。G蛋白偶联受体是细胞膜上众多膜表面蛋白中的一类，它们将胞外激素、神经递质、肽类等信号分子 转导入细胞内的效应分子，最终引起细胞反应。具体来说，就是G蛋白偶联受体位于细胞外的氨基端（N 端）区域可识别并结合环境中的多种信号分子，引起受体的构象发生改变，激活细胞内异源三聚体的鸟苷 酸结合蛋白，后者将信号转导至胞内的效应分子，引起细胞反
5、应。细胞外那些能激活受体的信号分子就是 配体，它包括光、气味、激素、神经递质和肽类等。这些细胞效应控制生物体的多种功能，包括人体的五 官感觉。GPCR蛋白只有一条肽链，由疏水的跨膜区和易变的亲水环构成。其中跨膜区有7个长度相近的a螺 旋（多个氨基酸构成的一种特定螺旋状结构），肽链氨基端（N端）在胞外，羧基端（C端）在胞内（通常 包含磷酸化位点），还有3个胞内环、3个胞外环。几乎所有的GPCR在跨膜螺旋区的氨基酸序列都比较保守， 而C端、N端和回环区域的氨基酸序列则有显著差异，因此会形成不同种类和功能的GPCR。此外，在GPCR基因的表达过程中，基因突变造成的单核苷酸多态性、翻译后修饰造成的磷酸
6、化和糖基化，以及与配体作 用方式的差异，都会造成GPCR表型的多样性。根据它们氨基酸序列的同源性和功能的相似性差异，可 将其分为6大类：A类，视紫红质(rhodopsin)类似受体；B类，分泌素受体；C类，代谢型谷氨酸受体；D 类，真菌交配信息素受体；E类，环腺苷酸受体；F类，卷曲/平滑受体。人体内只有A、B、C、E、F等5 类受体，D类仅存在于低等真核生物体中，如酵母细胞。在细胞内GPCR的羧基端和连接第5、第6个跨膜螺旋的胞内环上都有G蛋白的结合位点。G蛋白由3 个亚单位(Ga、G0、Gy )组成，易与GPCR蛋白结合或分开，也可解离成3个独立亚单位。目前估计人体内GPCR这个受体大家族有
7、8001000种，但对它们的精细结构还了解甚少，主要原因 是GPCR属于多次跨膜的蛋白质，其稳定性极差，导致其体外表达、提纯和结晶的难度极高，至今只有16 种GPCR的结构得到解析2,且大部分都是非活性状态的。G蛋白偶联受体的研究历程早在1870年科学家就在视网膜上发现了对光敏感的视紫红质，1933年沃尔德(G Wald)发现了视紫红 质与视觉的关系，获得了 1967年的诺贝尔生理学或医学奖，但没人把感光系统与体内激素的生理作用联系 起来。受体理论也早在20世纪初由兰利(J. N. Langley)和希尔(A. V. Hill)提出，并在19201970年间得 到充分发展，然而受体本身是什么物
8、质并不清楚。在争论受体是什么物质的同时，对GPCR信号转导机制研究和应用研究已经开始。美国科学家萨瑟兰(E. W. Sutherland Jr.)成功地阐明了激素调控的分子机制，尤其对肾上腺素受体第二信使cAMP的信 号转导进行了系统阐述，获得了 1971年诺贝尔生理学或医学奖；吉尔曼(A. G. Gilman)和罗德贝尔(M. Rodbell)则因发现G蛋白及其在GPCR信号通路中的关键连接作用而分享1994年诺贝尔生理学或医学奖； 2000年坎德尔(E. Kandel)和格林加德(P. Greengard)凭借对cAMP信号通路及其生理功能的诠释而获得 诺贝尔生理学或医学奖。另一方面，GP
9、CR的基础研究也为药物开发提供了理论依据和方向性指导。博韦 特(D. Bovet)等首次研究了组胺在免疫及过敏反应中的作用，并成功利用抗组胺药物用于治疗过敏，这一 突出贡献最终获得1957年诺贝尔生理学或医学奖。布莱克(J. Black)因发明0受体阻断剂普萘洛尔(propranolol)于1988年获得诺贝尔生理学或医学奖。卡尔松(A. Carlsson)因对多巴胺及其在帕金森病治 疗中的应用研究获2000年诺贝尔生理学或医学奖。纵观百年诺贝尔奖的历史，针对GPCR系统的研究引领 着生命科学基础与应用研究的重要方向，同时也为人类健康作出了重大贡献。目前关于GPCR的认知很大程度上受益于莱夫科
10、维茨和科比尔卡的开创性工作，他们从根本上改变了 人们对GPCR受体和跨膜信号传递的认识，对现代药物设计的方式有着重要的影响。两位获奖者的科研之路莱夫科维茨1966年于哥伦比亚大学医学院获得医学博士学位，1968年开始利用放射性同位素追踪受体。 他将碘同位素结合到多种激素上，通过观测同位素的放射性，发现了糖皮质激素和肾上腺素，证明受体独 立于腺苷酸环化酶存在，并逐步摸索受体的分离方法，直至1979年他首次改进了纯化蛋白质的方法，并纯 化出0 2肾上腺素能受体，证明将其放回细胞中后有受体活性，使人们真正相信细胞表面受体的独立存 在。他用同位素配体结合的方法提出配体-受体-效应器结合的三级复合物模型
11、，之后从细胞膜上提取到这 种受体并初步阐明了其工作机制。1980年代人0 2肾上腺素能受体蛋白被成功分离后，新加入的科比尔卡尝试从庞大的人类基因组中 克隆编码仓鼠和人0 2肾上腺素能受体的基因获得成功，并发现人0 2肾上腺素能受体含有7个a螺旋，该结构与视网膜中负责感应光的视紫红质的结构类似，当时视紫红质的序列已测出（因其蛋白质丰度远远 高于其他GPCR）,但并不知道视紫红质也是GPCR。莱夫科维茨认为0 2肾上腺素能受体和视紫红质蛋 白同属于一个尚未发现的蛋白质家族，从而第一次将光能感应和激素感应的受体直接联系起来。GPCR蛋 白质家族以7个a螺旋为标志，并可能大部分都可偶联G蛋白。这一推断
12、很快被他自己实验室和其他实验 室克隆的一系列受体所证实，包括光、味道、气味、肾上腺素、组织胺、多巴胺和血清素（5-羟色胺）等 。这些研究揭示了 GPCR是一个包括孤儿受体在内的有8001000个成员的信号转导超家族，改变了早 期化学家只能通过合成与天然激素或神经递质结构相类似的分子来制造G蛋白偶联受体药物的局面，也加 速了嗅觉受体这一超家族的发现和克隆。莱夫科维茨同时致力于阐明GPCR的工作原理，率先阐明GPCR被G蛋白偶联受体激酶（GRK）磷酸 化导致脱敏的机理，继而发现GPCR被G蛋白偶联受体激酶（GRK）磷酸化后，还与抑制蛋白（arrestin） 结合，从而介导受体内吞和脱敏（受体内吞是
13、抑制蛋白介导的细胞内吞，受体两边的细胞膜互相靠近，最 后连接起来形成小泡，游离于细胞质中，有助于GPCR的脱敏）。最近10年来，发现抑制蛋白不仅在受体内 吞中起重要作用，还会启动一波新的信号转导，从而提出了偏向性信号通路和配体的概念，并引导了一些 新的临床前期药物的发现。科比尔卡的科研经历坎坷，为进一步阐明GPCR的工作原理，他独立奋斗了 15年。期间曾被一所重要 的基金资助研究所解聘，实验室面临缺乏研究经费而关闭的危险，但他一直坚持做GPCR晶体结构的工作， 之后斯坦福大学给了他稳定的资助，终于让他在20062007年间找到了通过抗体结合和在受体细胞内第三 环中插入溶菌酶的技术，使大部分低丰
14、度的扩散型配体的GPCR得以表达、提纯和结晶，从而成功解析了 人0 2-肾上腺素能受体的晶体结构。更重要的是其研究团队于2011年成功捕获0 2-肾上腺素能体被一激素 分子激活、并向细胞内传递信号的瞬间图像，从而解析了0 2-肾上腺素能受体与G蛋白三聚体复合物的晶 体结构，第一次在原子水平分辨率上阐明GPCR如何把激素信号从细胞外转导到细胞内的分子机制3,这 是科比尔卡获奖的主要原因。他的成功再次证明科学的奥秘终究会向持之以恒的人打开。G蛋白偶联受体研究的意义和挑战GPCR在人体内广泛表达并发挥着基础性生理作用，参与感知、生殖、发育、生长、神经和精神等多 种生命活动，其信号通路的失调与内分泌、
15、代谢、心脑血管、肿瘤、免疫和感染性疾病，以及神经和精神 疾病等的发生、发展密切相关，药物可以通过激活或抑制GPCR而发挥治疗作用。因此，这类蛋白质家族 已成为研制药物最重要、最有前景的靶标库。从近几十年药物发展的历史看，全球70%的药物都是针对GPCR的。目前上市的药物中，前50种最畅 销药物中的20%是G蛋白受体相关药物，如充血性心力衰竭药物卡维地洛（Carvedilol）、高血压药物科素 亚（Cozaar）、乳腺癌药物诺雷德（Zoladex）、精神类药物奥氮平（Olanzapine）、消化系统药物雷尼替丁 （Ranitidilne）等。全球药物市场三分之一的小分子药物是GPCR的激活剂或拮
16、抗剂。但由于对GPCR的结构与功能、信号通路及其调控机制等的了解目前还十分有限，而GPCR又是一个 庞大的跨膜蛋白受体家族，人体800多个GPCR中有200多个潜在药物靶标，真正用于药物研发的才60余个, 绝大部分与重大疾病相关的GPCR结构至今仍未得到解析。且仍有半数以上GPCR为配体未知的孤儿受体， 生物学功能仍不明确，这些孤儿受体也是重要的潜在药物靶点4。因此，利用基因组学的手段确定孤儿受 体，通过寻找其内源性配体，确定其在生理病理条件下的生物学功能仍是新药研发的关键环节之一5。此 外，有三维结构的GPCR不到总数的1%,严重制约了 GPCR功能的深入研究和新配体的发现；GPCR参与调控的信号通路和网络十分广泛而复杂，而目前的方法和技术不足以深入探索这些问题。所有这些问题既 是挑战，也给中国科学家带来了机遇。此次诺贝尔化学奖不仅是对两位科学家在G蛋白偶联受体发现、鉴定及结构生物学研究上所作重要贡 献的褒奖
