2013年林道會議：GPCR交響曲

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這篇博文源自林道諾貝爾線上社群，這是林道諾貝爾獎獲得者會議的互動論壇。第63屆林道諾貝爾獎獲得者會議，主題為化學，將於2013年6月30日至7月5日在德國林道舉行。35位諾貝爾獎獲得者將齊聚一堂，與來自大約80個國家的600多名青年研究人員會面。

布萊恩·科比爾卡和羅伯特·萊夫科維茨因告訴我們生物體內分子音樂家如何演奏生命之曲而獲得2012年諾貝爾化學獎。我們身體中的幾乎任何分子機制都為精巧編排的芭蕾舞提供了生動的例子，但科比爾卡和萊夫科維茨闡明瞭最重要的訊號傳遞者——G蛋白偶聯受體（GPCR）的運動。

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三個關鍵角色構成了這些至關重要的蛋白質編排的複雜舞蹈。第一個組成部分是一個微小的分子信使，一個小分子，如腎上腺素，甚至是單個光子，它在人體內每一種細胞膜上的七個盤旋的α螺旋內部低語。就像在異國他鄉的監聽站一樣，這些螺旋的一部分耳朵朝外，一部分朝內。朝外的部分耐心地讓信使搔動其精確分組的氨基酸。朝內的部分與稱為G蛋白和抑制蛋白的蛋白質結合。細胞外部的一個微小分子的簡單相互作用所引發的後續反應，部分為科比爾卡和萊夫科維茨贏得了獎項，並且開闢了對GPCR研究和一般生物訊號機制的全新理解世界。透過數十年耐心、往往吃力不討好、有時甚至堪稱英雄般的努力，科比爾卡和萊夫科維茨告訴我們細胞如何將其外部世界的知識傳遞到其內部，這是一個正規化發展，肯定是生命進化中的一個基本事件。

小分子與GPCR外耳的相互作用啟動了一系列微妙但關鍵的運動，最終導致基本的生理反應，例如開啟或關閉參與從感知環境刺激到對刺激作出反應的各種關鍵過程的關鍵基因。確定這種反應的分子細節並建立類似電影的事件快照是一項技術上的壯舉，這使得科比爾卡和萊夫科維茨的獲獎板上釘釘。萊夫科維茨透過分離腎上腺素受體的基因並破譯蛋白質的通用七次跨膜α螺旋結構，開創了對GPCR的現代研究。深入研究細節是科比爾卡的任務，他最初作為萊夫科維茨實驗室的博士後，以極大的熱情追求GPCR研究二十年。他的團隊努力的最終成果是一系列令人驚歎的腎上腺素受體的原子級晶體檢視，捕捉到了其在各種活動中的狀態，所有這些都發表在過去十年中《科學》和《自然》上的一系列開創性論文中。

結晶GPCR的基本問題在於，當它們從構成所有細胞的脂質雙層的保護下被強行拉開時，它們會迅速分解。解決方案是找到一組洗滌劑——在經歷了幾乎無數次的試驗之後——這些洗滌劑可以作為脂質營養環境的替代品。GPCR的研究因其存在多種狀態而變得更加複雜。此外，這些多種狀態可以通過幾種稱為激動劑（啟用劑）、拮抗劑和反向激動劑（去啟用劑）的小分子啟用或去啟用。科比爾卡團隊克服的關鍵挑戰是找到結晶GPCR並在所有形式下悠閒地研究它們的正確條件。誘使一個單獨的GPCR結晶已經足夠令人畏懼，但讓它在與激動劑結合時結晶似乎是無法克服的；這很像在導火索點燃後試圖冷凍一根炸藥進行研究。但是，科比爾卡的實驗室發現了幾個實現這一目標的新策略。其中兩個最奇特的方法包括使用來自美洲駝的抗體來緊密結合和穩定蛋白質，並使用一種特殊的脂質材料來確保蛋白質不會分解。從單獨的GPCR的晶體結構開始，然後再到一個與去啟用拮抗劑結合的晶體結構，科比爾卡和他的團隊最終解決了與激動劑結合的腎上腺素受體的結構。這是科學家們一直努力嘗試但都未成功的。

但是，科比爾卡和萊夫科維茨的研究小組在此之後所做的工作，決定了他們作為諾貝爾獎獲得者的命運。GPCR作用的真正核心隱藏在蛋白質的親密細胞內側，該側面向關鍵的其他訊號蛋白和小分子組，這些蛋白和小分子可以開啟和關閉基因。傳達小分子信使低語資訊的決定性事件是蛋白質內耳與以其名稱為特徵的分子實體（G蛋白）的相互作用。G蛋白是普遍參與訊號事件的亞基的複雜組合；事實上，它們的發現甚至為阿爾弗雷德·吉爾曼和馬丁·羅德貝爾贏得了諾貝爾獎，這實際上讓萊夫科維茨感到有些被冷落。但是，即使在他們發現之後，也沒有人知道G蛋白如何與它們的受體相互作用以實際引起基因表達和生理反應。在2011年，科比爾卡憑藉GPCR晶體學方面的傑出成就，獲得了第一個與G蛋白結合的GPCR結構。該結構為GPCR和G蛋白如何相互作用的精確細節提供了寶貴的啟示，隨後G蛋白解離並激活各種其他大分子，其淨作用導致基因表達。在此發展之後，萊夫科維茨的團隊又有了另一個關鍵發現——抑制蛋白，這些蛋白主要負責馴服和回收因與G蛋白相互作用而過度敏感的過度活躍的GPCR。

經過三十多年的耐心工作，科比爾卡和萊夫科維茨因此揭開了整個GPCR交響曲，從信使與GPCR的初始結合，到該訊號向內部的傳遞以及α螺旋的運動，最終導致G蛋白的啟用和抑制蛋白對GPCR的脫敏。在諾貝爾獎的編年史中，很難找到一個更好地從頭到尾完成並解決遺留問題的例子。

這是否意味著我們現在已經瞭解了有關GPCR的一切？遠非如此。科學不變的事情之一是，它總是會提出比它回答的更多新問題。首先，有 800 多種 GPCR 參與各種重要的生理反應。此外，至少有三大類。科比爾卡和萊夫科維茨的所有工作都是在 A 類 GPCR 上完成的；B 類 GPCR 結構才剛剛開始揭示它們的秘密，而 C 類則幾乎沒有出現。

更重要的是，科比爾卡、萊夫科維茨和其他人在過去二十年中對 GPCR 的研究導致發現了一種絕對迷人且可能非常根深蒂固的現象，稱為功能選擇性或偏倚激動。當兩個都是激動劑的小分子以不同的方式啟用其受體 GPCR 並導致非常不同的生理反應時，就會發生偏倚激動。偏倚激動是由於兩種激動劑（或拮抗劑）與蛋白質之間的相互作用的細微差異造成的，這些差異仍然被放大到足以引起不同的訊號傳遞。如果說 GPCR 一直是自然界進行分子穩態的主要工具，那麼功能選擇性就是一把精細的手術刀，證明了進化在注重細節方面的力量。有趣的是，功能選擇性正在成為其他型別蛋白質（包括離子通道和核受體（與激素相互作用的蛋白質））中訊號傳遞的潛在驅動因素。最好的科學不僅照亮了自身的輪廓，還照亮了廣闊虛空的其他角落，科比爾卡和萊夫科維茨的 GPCR 研究可能會成為理解生物體內每一種其他訊號傳遞機制的預言性起點。如果事實確實如此，那麼他們的工作最終將獲得比諾貝爾獎更高的榮譽。