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Brian Kobilka（斯坦福大學）和 Robert Lefkowitz（杜克大學）因其在活生物體中最重要的一類蛋白質——G 蛋白偶聯受體 (GPCR) 方面的工作而榮獲 2012 年諾貝爾化學獎。 我們很多人都曾預測到這個獎項，因為過去十年在多種 GPCR 上都取得了突破性進展，儘管我個人認為還需要幾年才能頒發這個獎項。 然而，這類蛋白質及其生理重要性使得這個獎項實至名歸，這也是近幾十年來從發現到獲獎轉變最快的案例之一。 從化學角度來看，GPCR 是分子機器的一個極好的例子，我們才剛剛開始瞭解其微妙的工作原理。 這個諾貝爾獎延續了表彰晶體學家這一光榮傳統，晶體學家是所有科學家中最執著和最無畏的人之一。 這一傳統可以追溯到 1962 年 Max Perutz 和 John Kendrew 因其對血紅蛋白和肌紅蛋白的研究而獲得的諾貝爾獎。
GPCR 本質上是細胞的守門人和分子信使，負責傳遞細胞內外訊號。 訊號可以包含驚人種類的刺激，從光子（光）到神經遞質再到激素。 它們介導幾乎所有重要的生理過程，從免疫系統功能到味覺和嗅覺，再到人類的戰鬥或逃跑反應。 GPCR 在醫學中也極為重要，約 30% 的藥物以其為靶點。 與 GPCR 結合的天然小分子包括腎上腺素、前列腺素、多巴胺、生長抑素和腺苷。 與 GPCR 結合的類藥物小分子包括咖啡因、嗎啡、海洛因和組胺。 GPCR 響應的刺激和分子範圍非常廣泛，它們在生命運作中的作用毋庸置疑。
遺憾的是，長期以來，由於結晶 GPCR 的巨大困難，無法研究 GPCR 的詳細結構。 GPCR 是膜結合蛋白，以七個跨膜螺旋的形式跨越細胞膜，這些螺旋由三個環連線，細胞內側三個，細胞外側三個。 最重要的是，這些蛋白質在內部與 G 蛋白的一個小亞基結合，G 蛋白是一種關鍵的訊號分子，充當感測器和信使，將訊號傳遞到細胞內部。 由於 GPCR 是膜蛋白，任何將其從膜中取出的嘗試都會迅速破壞其完整性； 這就像試圖透過將一個脆弱的胚胎從子宮中取出進行研究。 GPCR 上的六個環特別鬆散，很難固定； 事實證明，它們也是分子結合的特別重要的決定因素。 GPCR 也可以以兩種狀態存在，即活性狀態和非活性狀態，由於其不穩定性，結晶活性狀態被認為是一項艱鉅的任務。
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與這些蛋白質結合的分子有三種類型。 激動劑啟用受體。 反向激動劑完全將其關閉。 拮抗劑阻止激動劑結合，但不關閉蛋白質。 像藥物這樣的小分子與外部的 GPCR 螺旋之一結合，這會導致螺旋發生一系列複雜的運動，從而導致 G 蛋白亞基之一解離。 解離後，G 蛋白可以與多種其他蛋白質相互作用，包括稱為激酶的蛋白質，激酶附著和分離磷酸基團並控制細胞訊號傳導。 該過程的最終結果通常是啟用所謂的第二信使，一種像環磷酸鳥苷 (cGMP) 這樣的小分子，它進入細胞核並引起特定的基因表達和相關的生理反應。 GPCR 的調節、啟用和失活方式有很多種，G 蛋白結合只是其中之一。 最近受到關注的一類蛋白質稱為 阻遏蛋白，例如，當 GPCR 過度刺激時，它們可以使 GPCR 失活並將其內化以進行降解。
然而，正如之前提到的，研究 GPCR，尤其是在其結晶狀態下，極具挑戰性。 膜蛋白一直是晶體學家的難題，而 GPCR 尤其難以處理。 但從 90 年代開始，一系列突破使得對這些蛋白質進行詳細的結構表徵成為可能，今年的兩位諾貝爾獎獲得者都為這一發展做出了關鍵貢獻。 GPCR 的“模型生物”一直是 β-腎上腺素能受體 (BAR)，它與其他物質結合腎上腺素並引起“戰鬥或逃跑”反應。 從 80 年代開始，Robert Lefkowitz 透過首先克隆和測序 BAR 的基因，開創了 GPCR 的現代研究。 在此過程中，Lefkowitz 做出了關鍵的觀察，即所有基因都與視紫紅質（感知光的 GPCR）的基因相似。 這確立了所有 GPCR 的共同跨膜結構。 此外，他的團隊還建立了一系列處理 BAR 的技術。 Lefkowitz 也是第一個鑑定出阻遏蛋白的人，阻遏蛋白負責 GPCR 的失調和控制。 從廣義上講，他可以被認為是現代 GPCR 研究之父。
顯然，Lefkowitz 的熱情一定感染了他的博士後 Brian Kobilka。 在斯坦福大學開始其獨立職業生涯後，Kobilka 開始了一系列傑出的工作，這些工作以前所未有的精細細節深入研究了 BAR 的內部結構和運作方式。 結構故事在 90 年代後期開始展開。 2000 年，Krzysztof Palczewski 成為第一個獲得視紫紅質晶體的人。 這是一項重大成就，但該結構解析度相對較低，無法闡明 GPCR 啟用的細節。 這項任務留給了 Kobilka 的小組。
在過去的十年中，從 2007 年的第一個晶體開始，Kobilka 的小組透過晶體學對 GPCR 結構提供了令人震驚的一系列見解。 他們的主力一直是 BAR。 2007 年，他們獲得了 BAR 在非活性狀態下的晶體結構。 這一突破成為可能，歸功於詳細的操作、反覆試驗和純粹的毅力（許多蛋白質晶體學家都具有的特質）。 晶體學在很大程度上仍然是一門藝術，結晶特定蛋白質並不總是有合理的途徑。 Kobilka 的小組嘗試了蛋白質的氨基酸序列變體的無數種組合，其中一小部分被刪除，以及幾種去汙劑、穩定小分子和蛋白質。 最終成功的組合是一種抗體，當 GPCR 從膜中取出時，它可以穩定 GPCR。 第二個結構是透過將噬菌體病毒連線到其上來穩定的。 一旦弄清楚了這些技巧，Kobilka 的小組就繼續前進。 另一個重大突破是獲得了 GPCR 在活性狀態下的結構，這種狀態以前被認為太不穩定而無法分離。 活性和非活性狀態結構的比較為啟用過程提供了寶貴的見解，包括移動並影響 G 蛋白結合的特定螺旋的身份。 最後，Kobilka 的小組在 2011 年發表了第一個與 G 蛋白結合的 GPCR 結構，從而完成了最後一擊。 該結構再次使人們對 GPCR 功能（包括關鍵螺旋和環的運動）有了前所未有的原子級理解。 Kobilka 的工作還伴隨著 Raymond Stevens 在斯克裡普斯研究所的實驗室的開創性工作，該實驗室也開發了結晶 GPCR 的特殊技術。 所有這些專案都是技術上的傑作，涉及數千種條件的測試、無數小時的手工勞動以及對性質不穩定的蛋白質的精細處理。 Kobilka 和 Stevens 的實驗室共同成為了世界頂級的 GPCR 晶體學研究中心。
這些突破不僅為詳細剖析 GPCR 功能的機制開闢了道路，也為基於結構的藥物設計開闢了道路。 此外，它們也擊破了 GPCR 無法結晶的說法。 在過去的 12 年中，已經解析了十幾個以上的 GPCR 晶體結構。 這些包括多巴胺受體、被認為與 HIV 感染有關的 CXCR4 趨化因子受體、與咖啡因結合並提供我們每日早晨興奮感的腺苷 A2 受體，以及最近的、與嗎啡結合的關鍵阿片受體。 事實上，大多數 GPCR 的晶體結構都附有藥物，因此它們是設計更有效、更安全的藥物的寶貴起點。 與嗎啡結合的結構在這方面尤其有前景，因為幾十年來，尋找嗎啡的安全替代品一直是一種醫學聖戰，但屍橫遍野，聖盃卻遙遙無期。
但最重要的是，與任何其他重大發現一樣，Kobilka 和 Lefkowitz 的工作提出的問題多於答案，並指向令人興奮的、未知的領域。 事實證明，GPCR 的功能比我們想象的要微妙得多。 這方面最重大的發現是觀察到，相似的小分子——例如，兩種激動劑——仍然可以以不同的方式啟用蛋白質，並導致非常不同的生理反應，這種現象稱為“功能選擇性”。 這源於 GPCR 與 G 蛋白、阻遏蛋白和細胞內部其他蛋白質的不同相互作用。 值得注意的是，功能選擇性甚至可以導致完全相同的分子交替充當激動劑或拮抗劑，具體取決於蛋白質介導的生理反應。 因此，GPCR 的功能更像是 自然的巴赫交響曲，而不是一組獨立的音符，其中相互作用的組合而不是單個分子的結合導致複雜的生理反應。 Kobilka、Lefkowitz 和其他人所做的工作為理解這部交響曲是如何精確演奏的打開了大門。
附言： 我不得不說，整個“但這算是化學嗎？！”的梗已經變得相當無聊了。 小分子與 GPCR 的結合與化學中的任何分子相互作用一樣。 另外，想想 GPCR 所做的下游化學反應，包括磷酸化和鹽橋斷裂。 我以為化學家應該對生物學被簡化為化學而興高采烈，而生物學家則會煩躁不安。 但我看到了相反的情況，生物學家對蛋白質獲得醫學諾貝爾獎感到非常樂觀，而化學界繼續抱怨蛋白質（化學物質！）獲得化學諾貝爾獎。 正如我之前所說，正是這種爭吵表明了該領域驚人的影響力和多樣性。 如果你們甚至不能就你們領域的定義達成一致，那麼，這意味著你們的領域是真正無處不在的。