本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
Brian Kobilka（斯坦福大学）和 Robert Lefkowitz（杜克大学）因其在活生物体中最重要的一类蛋白质——G 蛋白偶联受体 (GPCR) 方面的工作而荣获 2012 年诺贝尔化学奖。 我们很多人都曾预测到这个奖项，因为过去十年在多种 GPCR 上都取得了突破性进展，尽管我个人认为还需要几年才能颁发这个奖项。 然而，这类蛋白质及其生理重要性使得这个奖项实至名归，这也是近几十年来从发现到获奖转变最快的案例之一。 从化学角度来看，GPCR 是分子机器的一个极好的例子，我们才刚刚开始了解其微妙的工作原理。 这个诺贝尔奖延续了表彰晶体学家这一光荣传统，晶体学家是所有科学家中最执着和最无畏的人之一。 这一传统可以追溯到 1962 年 Max Perutz 和 John Kendrew 因其对血红蛋白和肌红蛋白的研究而获得的诺贝尔奖。
GPCR 本质上是细胞的守门人和分子信使，负责传递细胞内外信号。 信号可以包含惊人种类的刺激，从光子（光）到神经递质再到激素。 它们介导几乎所有重要的生理过程，从免疫系统功能到味觉和嗅觉，再到人类的战斗或逃跑反应。 GPCR 在医学中也极为重要，约 30% 的药物以其为靶点。 与 GPCR 结合的天然小分子包括肾上腺素、前列腺素、多巴胺、生长抑素和腺苷。 与 GPCR 结合的类药物小分子包括咖啡因、吗啡、海洛因和组胺。 GPCR 响应的刺激和分子范围非常广泛，它们在生命运作中的作用毋庸置疑。
遗憾的是，长期以来，由于结晶 GPCR 的巨大困难，无法研究 GPCR 的详细结构。 GPCR 是膜结合蛋白，以七个跨膜螺旋的形式跨越细胞膜，这些螺旋由三个环连接，细胞内侧三个，细胞外侧三个。 最重要的是，这些蛋白质在内部与 G 蛋白的一个小亚基结合，G 蛋白是一种关键的信号分子，充当传感器和信使，将信号传递到细胞内部。 由于 GPCR 是膜蛋白，任何将其从膜中取出的尝试都会迅速破坏其完整性； 这就像试图通过将一个脆弱的胚胎从子宫中取出进行研究。 GPCR 上的六个环特别松散，很难固定； 事实证明，它们也是分子结合的特别重要的决定因素。 GPCR 也可以以两种状态存在，即活性状态和非活性状态，由于其不稳定性，结晶活性状态被认为是一项艰巨的任务。
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与这些蛋白质结合的分子有三种类型。 激动剂激活受体。 反向激动剂完全将其关闭。 拮抗剂阻止激动剂结合，但不关闭蛋白质。 像药物这样的小分子与外部的 GPCR 螺旋之一结合，这会导致螺旋发生一系列复杂的运动，从而导致 G 蛋白亚基之一解离。 解离后，G 蛋白可以与多种其他蛋白质相互作用，包括称为激酶的蛋白质，激酶附着和分离磷酸基团并控制细胞信号传导。 该过程的最终结果通常是激活所谓的第二信使，一种像环磷酸鸟苷 (cGMP) 这样的小分子，它进入细胞核并引起特定的基因表达和相关的生理反应。 GPCR 的调节、激活和失活方式有很多种，G 蛋白结合只是其中之一。 最近受到关注的一类蛋白质称为 阻遏蛋白，例如，当 GPCR 过度刺激时，它们可以使 GPCR 失活并将其内化以进行降解。
然而，正如之前提到的，研究 GPCR，尤其是在其结晶状态下，极具挑战性。 膜蛋白一直是晶体学家的难题，而 GPCR 尤其难以处理。 但从 90 年代开始，一系列突破使得对这些蛋白质进行详细的结构表征成为可能，今年的两位诺贝尔奖获得者都为这一发展做出了关键贡献。 GPCR 的“模型生物”一直是 β-肾上腺素能受体 (BAR)，它与其他物质结合肾上腺素并引起“战斗或逃跑”反应。 从 80 年代开始，Robert Lefkowitz 通过首先克隆和测序 BAR 的基因，开创了 GPCR 的现代研究。 在此过程中，Lefkowitz 做出了关键的观察，即所有基因都与视紫红质（感知光的 GPCR）的基因相似。 这确立了所有 GPCR 的共同跨膜结构。 此外，他的团队还建立了一系列处理 BAR 的技术。 Lefkowitz 也是第一个鉴定出阻遏蛋白的人，阻遏蛋白负责 GPCR 的失调和控制。 从广义上讲，他可以被认为是现代 GPCR 研究之父。
显然，Lefkowitz 的热情一定感染了他的博士后 Brian Kobilka。 在斯坦福大学开始其独立职业生涯后，Kobilka 开始了一系列杰出的工作，这些工作以前所未有的精细细节深入研究了 BAR 的内部结构和运作方式。 结构故事在 90 年代后期开始展开。 2000 年，Krzysztof Palczewski 成为第一个获得视紫红质晶体的人。 这是一项重大成就，但该结构分辨率相对较低，无法阐明 GPCR 激活的细节。 这项任务留给了 Kobilka 的小组。
在过去的十年中，从 2007 年的第一个晶体开始，Kobilka 的小组通过晶体学对 GPCR 结构提供了令人震惊的一系列见解。 他们的主力一直是 BAR。 2007 年，他们获得了 BAR 在非活性状态下的晶体结构。 这一突破成为可能，归功于详细的操作、反复试验和纯粹的毅力（许多蛋白质晶体学家都具有的特质）。 晶体学在很大程度上仍然是一门艺术，结晶特定蛋白质并不总是有合理的途径。 Kobilka 的小组尝试了蛋白质的氨基酸序列变体的无数种组合，其中一小部分被删除，以及几种去污剂、稳定小分子和蛋白质。 最终成功的组合是一种抗体，当 GPCR 从膜中取出时，它可以稳定 GPCR。 第二个结构是通过将噬菌体病毒连接到其上来稳定的。 一旦弄清楚了这些技巧，Kobilka 的小组就继续前进。 另一个重大突破是获得了 GPCR 在活性状态下的结构，这种状态以前被认为太不稳定而无法分离。 活性和非活性状态结构的比较为激活过程提供了宝贵的见解，包括移动并影响 G 蛋白结合的特定螺旋的身份。 最后，Kobilka 的小组在 2011 年发表了第一个与 G 蛋白结合的 GPCR 结构，从而完成了最后一击。 该结构再次使人们对 GPCR 功能（包括关键螺旋和环的运动）有了前所未有的原子级理解。 Kobilka 的工作还伴随着 Raymond Stevens 在斯克里普斯研究所的实验室的开创性工作，该实验室也开发了结晶 GPCR 的特殊技术。 所有这些项目都是技术上的杰作，涉及数千种条件的测试、无数小时的手工劳动以及对性质不稳定的蛋白质的精细处理。 Kobilka 和 Stevens 的实验室共同成为了世界顶级的 GPCR 晶体学研究中心。
这些突破不仅为详细剖析 GPCR 功能的机制开辟了道路，也为基于结构的药物设计开辟了道路。 此外，它们也击破了 GPCR 无法结晶的说法。 在过去的 12 年中，已经解析了十几个以上的 GPCR 晶体结构。 这些包括多巴胺受体、被认为与 HIV 感染有关的 CXCR4 趋化因子受体、与咖啡因结合并提供我们每日早晨兴奋感的腺苷 A2 受体，以及最近的、与吗啡结合的关键阿片受体。 事实上，大多数 GPCR 的晶体结构都附有药物，因此它们是设计更有效、更安全的药物的宝贵起点。 与吗啡结合的结构在这方面尤其有前景，因为几十年来，寻找吗啡的安全替代品一直是一种医学圣战，但尸横遍野，圣杯却遥遥无期。
但最重要的是，与任何其他重大发现一样，Kobilka 和 Lefkowitz 的工作提出的问题多于答案，并指向令人兴奋的、未知的领域。 事实证明，GPCR 的功能比我们想象的要微妙得多。 这方面最重大的发现是观察到，相似的小分子——例如，两种激动剂——仍然可以以不同的方式激活蛋白质，并导致非常不同的生理反应，这种现象称为“功能选择性”。 这源于 GPCR 与 G 蛋白、阻遏蛋白和细胞内部其他蛋白质的不同相互作用。 值得注意的是，功能选择性甚至可以导致完全相同的分子交替充当激动剂或拮抗剂，具体取决于蛋白质介导的生理反应。 因此，GPCR 的功能更像是 自然的巴赫交响曲，而不是一组独立的音符，其中相互作用的组合而不是单个分子的结合导致复杂的生理反应。 Kobilka、Lefkowitz 和其他人所做的工作为理解这部交响曲是如何精确演奏的打开了大门。
附言： 我不得不说，整个“但这算是化学吗？！”的梗已经变得相当无聊了。 小分子与 GPCR 的结合与化学中的任何分子相互作用一样。 另外，想想 GPCR 所做的下游化学反应，包括磷酸化和盐桥断裂。 我以为化学家应该对生物学被简化为化学而兴高采烈，而生物学家则会烦躁不安。 但我看到了相反的情况，生物学家对蛋白质获得医学诺贝尔奖感到非常乐观，而化学界继续抱怨蛋白质（化学物质！）获得化学诺贝尔奖。 正如我之前所说，正是这种争吵表明了该领域惊人的影响力和多样性。 如果你们甚至不能就你们领域的定义达成一致，那么，这意味着你们的领域是真正无处不在的。