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发布日期：2024-11-22 作者：开云
本文环绕2020年度上海市天然科学奖一等奖项目“G卵白偶联受体布局与功能的系统性研究”睁开，该奖项由上海科技年夜学iHuman研究所刘志杰传授领衔的研究团队取得。
时至本日，我们已知道G卵白偶联受体（简称GPCR）是质膜受体中最年夜、最遍及存在的家族之一。人类基因组中有约千个编码此类受体的基因，调控了人类心理进程中几近所有已知的方面，例如视觉、味觉和嗅觉等感官体例等。也正由于如斯，今朝，FDA核准上市的药物中，约三分之一靶向GPCRs，而且这一比例仍在上升。
不难看出，这一重大、多样化的受体家族是生命科学和医药范畴极其主要的研究对象。跟着对GPCRs布局和功能的深切研究，它们不但成为药物研发的首要靶点，也为我们领会人体心理学的根基道理供给了极其主要的启迪。
“受体”的摸索
受体研究在现今的生物医学研究中阐扬着很是主要的感化，但直到比来的三四十年，人们才遍及接管它们的存在。一个多世纪以来，细胞若何感知和响应外界刺激一向是生物学中的一个要害问题。逾越细胞膜并可以或许感知和转导旌旗灯号的“受体假说”在今天看来是合乎逻辑的，可是当这个设法在20世纪初期初次被英国药理学家兰利（J. N. Langley）提出时，它备受争议和质疑。兰利的假定指出，受体布局具有两个彼此联系关系的功能：起首，受体与化学物资或刺激物彼此感化，大要率是经由过程特定的体例连系它们；其次，受体也感化在细胞内的效应器以改变它们的功能。
但是具有嘲讽意味的是，固然兰利的假定在那时并未被学界所认同，但他的学生亨利 戴尔（Henry Hallett Dale）却因胆碱能神经旌旗灯号传递的研究在1936年取得诺贝尔奖。而此刻科学家早已查明，乙酰胆碱受体是镶嵌在膜上的卵白，此中毒蕈碱受体（M受体）就是一种GPCR。在很长一段时候里，很多科学家都“拐弯抹角”地证实着受体的存在，好比厄尔 萨瑟兰（Earl Sutherland）。
20世纪40年月，萨瑟兰专注在人体处在饥饿状况下的能量代谢机制研究，开启了一系列关在肾上腺素和胰高血糖素刺激肝糖原转化为葡萄糖机制的尝试。他发现，这些激素经由过程一种间接而复杂的机制，增添了肝脏内磷酸化酶的数目。直到1956年，他只能在完全的肝细胞中显示肾上腺素的这类功能。可是在1957年，他注解这些激素可以激活肝脏匀浆中的酶。
萨瑟兰和其同事进一步的工作注解，将肝脏匀浆离心后便可以使此中的酶掉活，向离心后发生的上清液中添加激素也不克不及使酶恢新生性。
但是，当激素被添加到离心的细胞碎片中时，它们刺激了热不变因子的构成，从而激活了酶。
这类因子被分手出来，被后来的人判定为3',5'-单磷酸腺苷，其加倍广为人知的名字是环AMP（cAMP），而阿谁酶也被定名为腺苷酸环化酶。萨瑟兰也由于这项超卓的工作取得了1971年诺贝尔心理学或医学奖。萨瑟兰的工作注解肾上腺素激活一种膜酶——腺苷酸环化酶，它合成cAMP（一种细胞内第二信使），经由过程触及卵白激酶的旌旗灯号级联确保糖原的水解。
可是肾上腺素等激素、神经递质（此中良多在那时已被辨认）是若何被细胞辨认的呢？
在是药理学家“捏造”了受体的概念。受体在那时仍被称作接管物资（Receptive Substance）。此中一些受体，特殊是肾上腺素受体和去甲肾上腺素受体（如α-和β-肾上腺素能受体）具有明白的药理学特点。但是，在20世纪60年月后期，受体仍没有生化实体。
另外，还良多未与GPCR联系起来，但现实上却与GPCR互相关注的科学发现。好比，1967年诺贝尔心理学或医学奖颁给了发现动物感光机制的科学家。此刻我们知道视紫红质或感光卵白都属在GPCR家族成员，但那时并未将感光系统与细胞旌旗灯号转导联系起来。
“感知”和“看见”GPCR
“假定”的证据已足够充实，一些科学家也最先着手寻觅这些“看不见摸不着”但又客不雅存在的工具，以证实它们的存在。
20世纪60年月，美国科学家马丁? 罗德贝尔（Martin Rodbell）将计较机信息加工进程与细胞旌旗灯号转导进程进行类比，并细化了第二信使学说，提出了新的感化模子，即旌旗灯号传递需要三类根基元件：分辨器、转换器和放年夜器。细胞膜上的受体作为分辨器，而cAMP引发的下流激活则可以作为放年夜器，两者之间的转换器即为G卵白。1980年，阿尔弗雷德? 吉尔曼（Alfred G. Gilman）将G卵白纯化，发现它由α、β、γ三个亚基构成，是以又称为异源三聚体G卵白。
他进一步说明了G卵白的感化机理：当配体与受体连系时，三聚体G卵白解离并产生GDP与GTP的互换，游离的α-GTP处在活化开启态，致使其连系并激活效应器卵白，从而传递旌旗灯号；当α-GTP水解构成α-GDP时，则处在掉活封闭态，终止旌旗灯号传递并致使三聚体G卵白从头组装，系统恢复进入静息状况。
2012年诺贝尔化学奖得主莱夫科维茨（左）和科比尔卡（右）
吉尔曼和罗德贝尔的发现揭露了G卵白将细胞外旌旗灯号转换为细胞内旌旗灯号的份子机制，首创了细胞旌旗灯号跨膜转导研究的新时期。一样，罗德贝尔和吉尔曼因这项超卓工作取得了1994年诺贝尔心理学或医学奖。自此，G卵白最先具有姓名。
可是，作为“分辨器”的受体呢？它们固然不会被轻忽。与此同时，还一些优异的科学家也在为若何“感知”和“看见”受体做着尽力。
1968到1971年间，美国科学家罗伯特 莱夫科维茨（Robert J. Lefkowitz）与学生和同事一路开辟了放射性配体连系阐发手艺，并采取放射性标识表记标帜的方式标识表记标帜了糖皮质激素和肾上腺素，证实了受体自力在腺苷酸环化酶的存在。经由过程慢慢试探受体分手的方式，莱夫科维茨小组纯化了β-肾上腺素能受体。
几年后，他们把纯化后的、可与肾上腺素连系的细胞概况卵白导入不响应肾上腺素的细胞后，发现细胞的表示与具有肾上腺素受体的细胞一致，这项尝试成果令人们真正相信了细胞概况受体的自力存在。并且，他们还操纵放射性配体连系研究多种身分对受体的调理，并发现了之前未知的受体亚型，在此根本上成长了有关受体感化机制的理论。
今天看来，克隆基因多是一项很是简单的使命，几近每一个生化尝试室都可以完成。只要可以取得纯化的肾上腺素受体卵白，便可以经由过程序列测定取得卵白的部门序列信息，从而极年夜地增进对肾上腺素受体的研究。但因为那时的手艺限制，这项工作如同年夜海捞针。即便在1984年视紫红质基因被成功克隆以后，人们依然未将感光受体和激素受体联系起来，并且因为激素受体表达程度极低，这项工作变得尤其坚苦。
1986年，布莱恩? 科比尔卡（Brian K. Kobilka）作为尝试室研究助理，插手并带领了这项工作。开初，这项工作很是艰巨，利用cDNA（反转录DNA）文库频频测验考试克隆依然没法取得准确的成果。可是，科比尔卡提出了一个斗胆的设法，测验考试利用基因组文库来完成克隆使命。就是在这一年，莱夫科维茨尝试室首创了一个里程碑，成功克隆并测序阐发了编码仓鼠β2-肾上腺素能受体卵白（β2AR）的基因。
颠末对该基因序列的深切研究，他们欣喜地发现β2-肾上腺素能受体卵白与牛源视紫红质卵白的氨基酸序列有着惊人的类似性，两者都包括了七个跨膜区域。莱夫科维茨和科比尔卡灵敏地揣度出视紫红质受体和β2-肾上腺素能受体可能属在统一家族，这个家族可能编码着很多主要的激素受体。随后不久，毒蕈碱乙酰胆碱受体的克隆尝试进一步证实了这个推论。
在此根本上，科比尔卡等人很快成功克隆了编码人类β2-肾上腺素受体卵白的cDNA，还克隆了编码人类β1-肾上腺素受体、人类血小板α2肾上腺素受体、5-羟色胺受体和第一个孤儿受体等一系列受体的基因。这项工作所获得的信息和手艺也为嗅觉受体这一超等家族的发现和克隆奠基了根本，终究嗅觉受体的研究工作取得了2004年诺贝尔心理学或医学奖。
除成功克隆出各类分歧的受体基因外，科比尔卡还测验考试了一项斗胆的工作：对肾上腺素能受体进行结晶和布局阐发。这项工作在那时看来几近是不成能的，由于GPCR卵白品貌低、难以纯化，而且很不不变，这些身分决议了其结晶的难度相当年夜。后续的故事也向我们再次证实了这一不雅点——跟着一些新兴手艺的不竭成长，科比尔卡用了十几年的时候才完成了这项工作。
不外，在莱夫科维茨尝试室中，科比尔卡也经由过程融会卵白与拆分卵白等方式，探讨了GPCR上可以或许起到要害感化的区域。在斯坦福年夜学成立本身的尝试室后，他经由过程利用嵌合受体和定点突变体的一系列研究继续完美GPCR功能域图谱，而且经由过程利用荧光光谱来表征冲动剂连系和激活的机制，这些前期工作为后续研究GPCR卵白质布局的工作奠基了坚实的根本。
2000年，视紫红质的第一个高分辩率三维布局发布，这一布局令人们清晰地看到了GPCR的七次跨膜布局，加倍直不雅地展现了其布局域之间的互作关系。该项研究功效给科比尔卡带来了贵重的经验，他最先慢慢界说这些份子纯化、消融和不变所需的前提，同时他也遭受了危机——他的研究资金遭到了要挟。
成功虽迟但到。2007年，科比尔卡的研究功效迎来了爆发，他经由过程将GPCR与抗体共结晶和在第三个胞内环中插入溶菌酶两种方式，几近同时取得了β2-肾上腺素能受体的晶体，此中第二种方式不但得益在脂立方手艺的成长，还与他之前从份子程度探讨GPCR布局域互作的工作脱不开关系。这些成果几近在统一时候井喷式地颁发在《科学》《天然》《天然-方式》等顶级期刊上。
从此以后，他的尝试室和其他几个尝试室在冲动剂、拮抗剂或反向冲动剂存在的环境下，成功地结晶了年夜约50个A家族GPCR布局，乃至共结晶β2-肾上腺素能受体的完全活性情势，这些工作令人们加倍周全且直不雅地领会了GPCR的工作道理。
由于他们的卓异工作，科比尔卡和他前任“老板”莱夫科维茨同享了2012年诺贝尔化学奖。其实诺贝尔奖此前曾屡次颁给关在GPCR的研究，此中触及受体、配体、感官、疾病等多个研究范畴，但直到此次，人们对其空间布局和G卵白的互作体例才有了清楚周全的认知。
系统揭露年夜麻素受体的中国科学家
解析GPCR的份子布局，不但让我们从微不雅角度加倍领会本身的心理布局，还以此为根据开辟新的药物靶点，有着很是主要的科学与实际意义。“做科研多是99.99%的掉败，0.01%的成功，这就意味着你要坐得起‘冷板凳’，承受得住打持久战的考验，有决定信念有定力的人材有但愿。”这是上海科技年夜学刘志杰传授经常使用来鼓励学生的话，也是他科研工作的真实写照。
刘志杰传授团队与其解析的年夜麻素受体CB1与冲动剂复合物的三维布局多年来，刘志杰将研究方针锁定在与重年夜疾病相干的GPCR上，在多种精力和神经类疾病、痛苦悲伤和炎症、免疫调理类疾病等靶点上不竭冲破、硕果累累。此中一个首要标的目的即是系统研究年夜麻素受体布局与功能。
为何年夜麻素受体如斯值得研究？人体有11个首要的器官系统，包罗轮回系统、呼吸系统、泌尿系统等，所有这些系统组成了人体。另外，还存在一个内源性年夜麻素系统（ECS），固然年夜大都人几近没领会过它，但它很是主要——经由过程动态均衡调理身体，例如身体温度不克不及太热或太冷，血糖程度不克不及太高或太低等。ECS系统首要触及三个要害部门：存在在细胞概况的年夜麻素受体、激活年夜麻素受体的内源性年夜麻素、分化内源性年夜麻素的代谢酶。年夜麻素受体首要包罗两种——两个G卵白偶联受体份子：CB1和CB2。CB1在中枢神经系统中更加丰硕，例如，当神经元过度兴奋，内源性年夜麻素释放，与CB1连系，使得过度活跃的神经元恬静下来。
我们熟知的年夜麻中的要害成份——四氢年夜麻酚也是与CB1连系而起感化，假如科学家能揭露此中的感化机理，发掘年夜麻的医治价值就有了可能。现实上已有研究人员正在摸索这项工作，包罗摸索年夜麻匹敌癌症带来的痛苦悲伤但发生更少的副感化。近年研究发现，可医治抑郁症的“裸盖菇素”也多是经由过程CB1在起感化。
CB2在神经系统外更丰硕，包罗免疫系统的细胞。当细菌或病毒传染激发免疫反映时，免疫细胞释放“促炎份子”，这些旌旗灯号份子可以告知其他免疫细胞配合插手战役。内源性年夜麻素也被释放，向其他免疫细胞发出旌旗灯号，在追求帮忙的同时避免过度炎症反映；在炎关键束时，促使细胞和身体返回均衡状况。是以，CB2受体被认为是医治炎症和免疫类疾病（例如痛苦悲伤、风湿性关节炎、本身免疫疾病等）的抱负靶点。
在曩昔几年中，刘志杰传授和研究团队系统揭露了年夜麻素受体的拮抗、激活和旌旗灯号转导的份子机制。相干研究功效别离在2016、2017和2019年颁发在《天然》和《细胞》杂志上。2023年，华甜/刘志杰团队与合作者在国际学术期刊《天然?-通信》上颁发了研究论文，揭露了年夜麻素受体CB2在份子程度与配体连系的选择性机制。该研究为靶向CB2的药物设计供给了精准模板和理论指点。
刘志杰传授团队。
除年夜麻素受体，刘志杰传授团队在其他GPCR布局解析方面也获得了主要的科研功效。2017年，他们成功解析了糖尿病医治的主要靶标GLP1受体与别构小份子的复合物的三维布局，并揭露了其拮抗机制。2023年由埃隆 马斯克带火的Ozempic就是GLP1受体冲动剂。它本用来医治糖尿病，但人们不测发现它的“副感化”——减肥很有效。刘志杰团队的功效与这类药物的布局根本慎密相干。
除此之外，在肥胖症、精力割裂症、癌症等相干的GPCR受体布局和机制揭露上，刘志杰团队陆续都有主要发现。也是以各种主要发现，刘志杰传授团队完成的“G卵白偶联受体布局与功能的系统性研究”项目取得了2020年度上海市天然科学奖一等奖。
值得留意的是，2022年9月16日，刘志杰传授团队在《科学》杂志上颁发了苦味受体的冷冻电镜高分辩布局，成功破解了苦味受体的神秘面纱，这也是国际上首个颁发的苦味受体布局。该研究弥补了T类GPCR布局的空白，为摸索苦味受体的布局和感化机制首创了新路子，将来还将增进针对苦味受体的化学感知和药物候选份子的摸索。要知道，感受类受体的揭露持久以来都备受诺奖青睐。
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