怎樣的研究一直被諾獎青睞

牛明澤

時至今日，我們已經知道G蛋白偶聯受體（GPCR）是質膜受體中最大、最普遍存在的家族之一。人類基因組中有約千個編碼此類受體的基因，調控了人類生理過程中幾乎所有已知的方面，例如視覺、味覺和嗅覺等感官方式等。也正因如此普遍，目前，FDA批準上市的藥物中，約三分之一靶向GPCRs，并且這一比例仍在上升。不難看出，這一龐大、多樣化的受體家族是生命科學和醫藥領域極為重要的研究對象。隨著對GPCRs結構和功能的深入研究，它們不僅成為藥物研發的主要靶點，也為我們了解人體生理學的基本原理提供了極為重要的啟示。

“受體”的探索

受體研究在當今的生物醫學研究中發揮著非常重要的作用，但直到最近的三四十年，人們才普遍接受它們的存在。

一個多世紀以來，細胞如何感知和響應外界刺激一直是生物學中的一個關鍵問題。跨越細胞膜并能夠感知和轉導信號的“受體假說”在今天看來是合乎邏輯的，但是當這個想法在20世紀早期首次被英國藥理學家蘭利（J. N.Langley）提出時，它備受爭議并且遭到質疑。

蘭利的假設指出，受體結構具有兩個相互關聯的功能：首先，受體與化學物質或刺激物相互作用，大概率是通過特定的方式結合它們；其次，受體也作用于細胞內的效應器以改變它們的功能。然而具有諷刺意味的是，雖然蘭利的假設在當時并未被學界所認同，但他的學生亨利 ? 戴爾（Henry Hallett Dale）卻因膽堿能神經信號傳遞的研究于1936年獲得了諾貝爾獎。而目前科學家早已查明，乙酰膽堿受體是鑲嵌在膜上的蛋白，其中毒蕈堿受體（M受體）就是一種GPCR。

在接下來的很長一段時間里，有很多科學家在“旁敲側擊”地證明著受體的存在，比如厄爾 ? 薩瑟蘭（Earl Sutherland）。

20世紀40年代，薩瑟蘭專注于人體處于饑餓狀態下的能量代謝機制研究，開啟了一系列關于腎上腺素和胰高血糖素刺激肝糖原轉化為葡萄糖機制的實驗。他發現，這些激素通過一種間接而復雜的機制，增加了肝臟內磷酸化酶的數量。直到1956年，他只能在完整的肝細胞中顯示腎上腺素的這種功能。但是在1957年，他表明這些激素可以激活肝臟勻漿中的酶。薩瑟蘭和其同事進一步的工作表明，將肝臟勻漿離心后就可以使其中的酶失活，向離心后產生的上清液中添加激素也不能使酶恢復活性。然而，當激素被添加到離心的細胞碎片中時，它們刺激了熱穩定因子的形成，從而激活了酶。這種因子被分離出來，被后來的人鑒定為3',5'-單磷酸腺苷，其更加廣為人知的名字是環AMP（cAMP），而那個酶也被命名為腺苷酸環化酶。薩瑟蘭也因為這項出色的工作獲得了1971年諾貝爾生理學或醫學獎。

薩瑟蘭的工作表明腎上腺素激活一種膜酶——腺苷酸環化酶，它合成cAMP（一種細胞內第二信使），通過涉及蛋白激酶的信號級聯確保糖原的水解。但是腎上腺素等激素、神經遞質（其中很多在當時已經被識別）是如何被細胞識別的呢？于是藥理學家偽造了受體的概念[受體在當時仍被稱作接受物質（Receptive Substance）]，其中一些受體，特別是腎上腺素受體和去甲腎上腺素受體（如α-和β-腎上腺素能受體）具有明確的藥理學特征。然而，在20世紀60年代后期，受體仍沒有生化實體。

此外，還有很多未與GPCR聯系起來，但實際上卻與GPCR息息相關的科學發現。比如，1967年諾貝爾生理學或醫學獎頒給了發現動物感光機制的科學家。現在我們知道視紫紅質或感光蛋白都屬于GPCR家族成員，但當時并未將感光系統與細胞信號轉導聯系起來。

“感知”和“看見”GPCR

“假設”的證據已經足夠充分，一些科學家也開始著手尋找這些“看不見摸不著”但又客觀存在的東西，以證明它們的存在。

雖然魚兒們如此頑皮，但對我這個“釣魚高手”來說，也只是雕蟲小技。我先將一撮沒有連著線的魚食拋進了魚群，那些魚兒們過去嗅了嗅，都走開了。他們好像在嘲笑我：“哼！我們才不中計呢！想把我們釣走，沒門兒！”可他們不知道，他們已經中計了！剛剛我把魚食拋得很近，本來就是給他們設的圈套。他們一下子躲到了后面，卻不料我的魚鉤上已經放了魚食在等他們，其中一個調皮的，上去咬了一口，沒有被釣起來，他的膽子就變大了，一口將魚食吞了下去，我熟練的將魚竿收回，哈！一條黑色的魚！我用同樣的方法，又釣了九條魚！

20世紀60年代，美國科學家馬丁 ? 羅德貝爾（Martin Rodbell）將計算機信息加工過程與細胞信號轉導過程進行類比，并細化了第二信使假說，提出了新的作用模型，即信號傳遞需要三類基本元件：辨別器、轉換器和放大器。細胞膜上的受體作為辨別器，而cAMP引起的下游激活則可以作為放大器，二者之間的轉換器即為G蛋白。

1980年，阿爾弗雷德 ? 吉爾曼（Alfred G. Gilman）將G蛋白純化，發現它由α、β、γ三個亞基組成，因此又稱為異源三聚體G蛋白。他進一步闡明了G蛋白的作用機理：當配體與受體結合時，三聚體G蛋白解離并發生GDP與GTP的交換，游離的α-GTP處于活化開啟態，導致其結合并激活效應器蛋白，從而傳遞信號；當α-GTP水解形成α-GDP時，則處于失活關閉態，終止信號傳遞并導致三聚體G蛋白重新組裝，系統恢復進入靜息狀態。吉爾曼和羅德貝爾的發現揭示了G蛋白將細胞外信號轉換為細胞內信號的分子機制，開創了細胞信號跨膜轉導研究的新時代。同樣，羅德貝爾和吉爾曼因這項出色工作獲得了1994年諾貝爾生理學或醫學獎。

自此，G蛋白開始擁有姓名。但是，作為“辨別器”的受體呢？它們當然不會被忽視。與此同時，還有一些優秀的科學家也在為如何“感知”和“看見”受體做著努力。

1968到1971年間，美國科學家羅伯特 ? 萊夫科維茨（Robert J. Lefkowitz）與他的學生和同事一起開發了放射性配體結合分析技術，并采用放射性標記的方法標記了糖皮質激素和腎上腺素，證明了受體獨立于腺苷酸環化酶的存在。通過逐步摸索受體分離的方法，萊夫科維茨小組純化了β-腎上腺素能受體，幾年后，他們把純化后的、可與腎上腺素結合的細胞表面蛋白導入不響應腎上腺素的細胞后，發現細胞的表現與具有腎上腺素受體的細胞一致，這項實驗結果使人們真正相信了細胞表面受體的獨立存在。而且，他們還利用放射性配體結合研究多種因素對受體的調節，并發現了之前未知的受體亞型，在此基礎上發展了有關受體作用機制的理論。

今天看來，克隆基因可能是一項非常簡單的任務，幾乎每個生化實驗室都可以完成。只要可以獲得純化的腎上腺素受體蛋白，就可以通過序列測定獲得蛋白的部分序列信息，從而極大地促進對腎上腺素受體的研究。但由于當時的技術限制，這項工作猶如大海撈針。即使在1984年視紫紅質基因被成功克隆之后，人們仍然沒有將感光受體和激素受體聯系起來，而且由于激素受體表達水平極低，這項工作變得尤為困難。

1986年，布萊恩 ? 科比爾卡（Brian K. Kobilka）作為實驗室研究助理，加入并領導了這項工作。起初，這項工作非常艱難，使用cDNA（反轉錄DNA）文庫反復嘗試克隆仍然無法獲得正確的結果。但是，科比爾卡提出了一個大膽的想法，嘗試使用基因組文庫來完成克隆任務。

就是在這一年，萊夫科維茨實驗室開創了一個里程碑，成功克隆并測序分析了編碼倉鼠β2-腎上腺素能受體蛋白（β2AR）的基因。經過對該基因序列的深入研究，他們驚喜地發現β2-腎上腺素能受體蛋白與牛源視紫紅質蛋白的氨基酸序列有著驚人的相似性，二者都包含了七個跨膜區域。萊夫科維茨和科比爾卡敏銳地推斷出視紫紅質受體和β2-腎上腺素能受體可能屬于同一家族，這個家族可能編碼著許多重要的激素受體。隨后不久，毒蕈堿乙酰膽堿受體的克隆實驗進一步證實了這個推論。在此基礎上，科比爾卡等人很快成功克隆了編碼人類β2-腎上腺素受體蛋白的cDNA，還克隆了編碼人類β1-腎上腺素受體、人類血小板α2腎上腺素受體、5-羥色胺受體以及第一個孤兒受體等一系列受體的基因。這項工作所得到的信息和技術也為嗅覺受體這一超級家族的發現和克隆奠定了基礎，最終嗅覺受體的研究工作獲得了2004年諾貝爾生理學或醫學獎。

除了成功克隆出各種不同的受體基因外，科比爾卡還嘗試了一項大膽的工作：對腎上腺素能受體進行結晶和結構分析。這項工作在當時看來幾乎是不可能的，因為GPCR蛋白豐度低、難以純化，并且很不穩定，這些因素決定了其結晶的難度相當大。后續的故事也向我們再次證明了這一觀點——隨著一些新興技術的不斷發展，科比爾卡用了十幾年的時間才完成了這項工作。

不過，在萊夫科維茨實驗室中，科比爾卡也通過融合蛋白與拆分蛋白等方法，探究了GPCR上能夠起到關鍵作用的區域。在斯坦福大學成立自己的實驗室后，他通過使用嵌合受體和定點突變體的一系列研究繼續完善GPCR功能域圖譜，并且通過使用熒光光譜來表征激動劑結合和激活的機制，這些前期工作為后續研究GPCR蛋白質結構的工作奠定了堅實的基礎。

成功雖遲但到。2007年，科比爾卡的研究成果迎來了爆發，他通過將GPCR與抗體共結晶和在第三個胞內環中插入溶菌酶兩種方法，幾乎同時獲得了β2-腎上腺素能受體的晶體，其中第二種方法不僅得益于脂立方技術的發展，還與他之前從分子水平探究GPCR結構域互作的工作脫不開關系。這些結果幾乎在同一時間井噴式地發表在《科學》《自然》《自然-方法》等頂級期刊上。從此之后，他的實驗室和其他幾個實驗室在激動劑、拮抗劑或反向激動劑存在的情況下，成功地結晶了大約50個A家族GPCR結構，甚至共結晶β2-腎上腺素能受體的完全活性形式，這些工作使人們更加全面且直觀地了解了GPCR的工作原理。

因為他們的杰出工作，科比爾卡和他前任“老板”萊夫科維茨共享了2012年諾貝爾化學獎。其實諾貝爾獎此前曾多次頒給關于GPCR的研究，其中涉及受體、配體、感官、疾病等多個研究領域，但直到這次，人們對其空間結構和G蛋白的互作方式才有了清晰全面的認知。

有一位中國科學家致力于系統揭示大麻素的受體

解析GPCR的分子結構，不僅可以讓我們從微觀角度更加了解自己的生理結構，還能夠以此為依據開發新的藥物靶點，有著非常重要的科學與現實意義。

“做科研可能是99.99%的失敗，0.01%的成功，這就意味著你要坐得起‘冷板凳’，經受得住打持久戰的考驗，有信心有定力的人才有希望。”這是上海科技大學劉志杰教授常用來激勵學生的話，也是他科研工作的真實寫照。

2012年諾貝爾化學獎得主萊夫科維茨（左）和科比爾卡（右）

劉志杰教授團隊與其解析的大麻素受體CB1與激動劑復合物的三維結構

多年來，劉志杰將研究目標鎖定在與重大疾病相關的GPCR上，在多種精神和神經類疾病、疼痛及炎癥、免疫調節類疾病等靶點上不斷突破、碩果累累。其中一個主要方向便是系統研究大麻素受體結構與功能。

為什么大麻素受體如此值得研究？

人體有11個主要的器官系統，包括循環系統、呼吸系統、泌尿系統等，所有這些系統構成了人體。此外，還存在一個內源性大麻素系統（ECS），雖然大多數人幾乎沒了解過它，但它非常重要——通過動態平衡調節身體，例如身體溫度不能太熱或太冷，血糖水平不能太高或太低等。ECS系統主要涉及三個關鍵部分：存在于細胞表面的大麻素受體、激活大麻素受體的內源性大麻素、分解內源性大麻素的代謝酶。大麻素受體主要包括兩種——兩個G蛋白偶聯受體分子：CB1和CB2。

CB1在中樞神經系統中更為豐富，例如，當神經元過度興奮，內源性大麻素釋放，與CB1結合，使得過度活躍的神經元安靜下來。我們熟知的大麻中的關鍵成分——四氫大麻酚也是與CB1結合而起作用，如果科學家能揭示其中的作用機理，挖掘大麻的治療價值就有了可能。實際上已經有研究人員正在探索這項工作，包括探索大麻對抗癌癥帶來的疼痛但產生更少的副作用。近些年研究發現，可治療抑郁癥的“裸蓋菇素”也可能是通過CB1在起作用。

CB2在神經系統外更豐富，包括免疫系統的細胞。當細菌或病毒感染引發免疫反應時，免疫細胞釋放“促炎分子”，這些信號分子可以告訴其他免疫細胞共同加入戰斗。內源性大麻素也被釋放，向其他免疫細胞發出信號，在尋求幫助的同時避免過度炎癥反應；在炎癥結束時，促使細胞和身體返回平衡狀態。因此，CB2受體被認為是治療炎癥和免疫類疾病（例如疼痛、風濕性關節炎、自身免疫疾病等）的理想靶點。

在過去幾年中，劉志杰教授及研究團隊系統揭示了大麻素受體的拮抗、激活及信號轉導的分子機制。相關研究成果分別于2016、2017和2019年發表在《自然》和《細胞》雜志上。2023年，華甜/劉志杰團隊與合作者在國際學術期刊《自然 -通訊》上發表了研究論文，揭示了大麻素受體CB2在分子水平與配體結合的選擇性機制。該研究為靶向CB2的藥物設計提供了精準模板和理論指導。

除大麻素受體，劉志杰教授團隊在其他GPCR結構解析方面也取得了重要的科研成果。2017年，他們成功解析了糖尿病治療的重要靶標GLP1受體與別構小分子的復合物的三維結構，并揭示了其拮抗機制。2023年由埃隆 ? 馬斯克帶火的Ozempic就是GLP1受體激動劑。它本用來治療糖尿病，但人們意外發現它的“副作用”——減肥頗有效。劉志杰團隊的成果與這種藥物的結構基礎緊密相關。除此以外，在肥胖癥、精神分裂癥、癌癥等相關的GPCR受體結構及機制揭示上，劉志杰團隊陸續都有重要發現。也因此種種重要發現，劉志杰教授團隊完成的“G蛋白偶聯受體結構與功能的系統性研究”項目獲得了2020年度上海市自然科學獎一等獎。

值得注意的是，2022年9月16日，劉志杰教授團隊在《科學》雜志上發表了苦味受體的冷凍電鏡高分辨結構，成功破解了苦味受體的神秘面紗，這也是國際上首個發表的苦味受體結構。該研究填補了T類GPCR結構的空白，為探索苦味受體的結構和作用機制開創了新途徑，未來還將促進針對苦味受體的化學感知和藥物候選分子的探索。要知道，感覺類受體的揭示長期以來都備受諾獎青睞。