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細(xì)胞對環(huán)境的感知-諾貝爾獎特別報導(dǎo)細(xì)胞對環(huán)境的感知 那個受體 — 一個隱藏的謎團(tuán) 十九世紀(jì)末期，科學(xué)家們開始實(shí)驗(yàn)腎上腺素對人體的影響時，就發(fā)現(xiàn)它會使心跳加速、血壓升高、以及瞳孔舒張。由于他們懷疑腎上腺素是透過體內(nèi)的神經(jīng)來運(yùn)作，就癱瘓動物來實(shí)驗(yàn)。然而，腎上腺素的作用仍然可以表現(xiàn)。他們當(dāng)時的結(jié)論是：細(xì)胞一定具有某種受體，能在其環(huán)境中感知一些化學(xué)物質(zhì)—可能是激素、毒物或藥物。
但是當(dāng)研究人員企圖找尋那些受體時，他們卻撞了壁?？茖W(xué)家希望了解受體的長像以及它們?nèi)绾屋斔陀嵦柦o細(xì)胞。當(dāng)腎上腺素施加于細(xì)胞的外側(cè)時，會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部的代謝發(fā)生變化。每一個細(xì)胞都有一面外膜壁：就是一層脂肪分子膜將細(xì)胞物質(zhì)與環(huán)境區(qū)隔。到底訊號是如何穿透這面膜壁的？細(xì)胞的內(nèi)部如何知道外面發(fā)生了什么事？
有數(shù)十年，一直無法找到這些受體。即便如此，科學(xué)家們?nèi)园l(fā)展出了一些藥物能專一的針對這一類受體中的特定類型發(fā)揮效果。在1940年代，美國科學(xué)家雷蒙阿爾奎斯特檢驗(yàn)不同的組織對各種腎上腺素類似的物質(zhì)如何反應(yīng)，得到一個結(jié)論：一定有兩種不同的腎上腺素受體存在。一種主要讓血管平滑肌細(xì)胞收縮，而另一種主要刺激心臟。他稱這兩種受體為 a 和 b。很快的，科學(xué)家們發(fā)展出了第一個 b-阻斷劑，那正是我們現(xiàn)在最常使用的心臟藥物之一。
這種藥物毫無疑問的是在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生作用，但是它們是如何做到的卻一直成謎。我們現(xiàn)在知道為什么這些受體是如此難以發(fā)現(xiàn)。因?yàn)樗鼈兊臄?shù)量很少，而且大部分被包夾在細(xì)胞膜內(nèi)。又經(jīng)過了幾十年，甚至于阿爾奎斯特都開始覺得迷失在自己提出的兩個a、b受體理論之中時，他如此記載：“對我而言，它們像一種抽象概念。是假想出來解釋組織受到不同結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì)刺激時，所觀察到的生理反應(yīng)”。
就這1960年代末尾之時，今年的諾貝爾化學(xué)獎得主之一，雷柯維茲走進(jìn)了這些受體的歷史。
將受體誘出它們的藏匿處
這位年輕的頂尖學(xué)生立下了要成為一位心臟病科醫(yī)師的目標(biāo)，不過他在越戰(zhàn)高峰時期畢業(yè)，在美國公衛(wèi)醫(yī)療服務(wù)體系的一個國家研究機(jī)構(gòu)服役，那就是美國國家衛(wèi)生研究院。在那里他所面對的挑戰(zhàn)就是：找出那些受體。
雷柯維茲的主管已經(jīng)有一個研究策略，他建議將具有輻射性的碘接在一個激素上。當(dāng)這個激素結(jié)合到一個細(xì)胞表面時，碘的輻射線就可以用來追蹤受體。為了進(jìn)一步的強(qiáng)化他的論點(diǎn)，雷柯維茲必須證明當(dāng)這個激素結(jié)合在細(xì)胞膜壁時，真的會引發(fā)細(xì)胞內(nèi)會產(chǎn)生的已知作用。如果能成功展示，就沒有人會質(zhì)疑他真的發(fā)現(xiàn)了一個具有生物活性的受體。
雷柯維茲開始研究促進(jìn)腎上腺皮質(zhì)的激素，它會刺激腎上腺分泌腎上腺素。然而所有的實(shí)驗(yàn)都失敗了。一年過去，仍然沒有任何進(jìn)展。雷柯維茲打一開始并沒有對做研究那么熱衷，現(xiàn)在卻已經(jīng)開始喪失信心了，他雖然仍持續(xù)研究，但同時也夢想著成為一個醫(yī)生。
這個計劃進(jìn)入了第二年，雷柯維茲終于有了進(jìn)展。在1970年，他在兩個聲譽(yù)卓著的期刊，國家科學(xué)院會報與科學(xué)發(fā)表了幾篇重要論文，他描述發(fā)現(xiàn)了一個有效受體。這項(xiàng)成就讓他感受到做研究的興奮，最后他被延攬至北卡羅來納州的杜克大學(xué)。他并非特別想去杜大，只是對方給的條件實(shí)在好得讓他無法拒絕。
在嶄新的實(shí)驗(yàn)室里，雷柯維茲組成自己的研究小組。雖然看起來他可能永遠(yuǎn)無法成為一位心臟病科醫(yī)師了，但他仍然想要研究心臟的疾病。因此，他開始把焦點(diǎn)放在腎上腺素與去甲基腎上腺素的受體，它們被稱為腎上腺素激導(dǎo)性受體。利用輻射性標(biāo)記的物質(zhì)，包括了 b-阻斷劑。他的研究小組檢驗(yàn)了這些受體如何運(yùn)作，在精細(xì)的調(diào)整所使用的工具后，他們終于掌握了高超的技巧來取得一系列從生物組織中萃取得到的受體。
同時，有關(guān)細(xì)胞內(nèi)部作用的知識不斷累積，研究者發(fā)現(xiàn)了他們稱之為 G-蛋白的物質(zhì)。它會接到受體傳來的訊號而活化，接著G-蛋白開啟一系列的反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞代謝的改變。在1980年代初期，科學(xué)家們開始了解訊號從細(xì)胞外面?zhèn)鬟f到里面的過程 (圖2)。
 基因 — 新看法的一個關(guān)鍵 在1980年代，雷柯維茲決定他的研究小組應(yīng)該去尋找 b-阻斷劑受體的基因密碼，這項(xiàng)決定應(yīng)可確定是今年諾貝爾化學(xué)獎獲獎的關(guān)鍵。一個基因就好像是個藍(lán)圖，它包含了一個密碼，能被細(xì)胞讀取，依照指示將許多胺基酸組合制成蛋白質(zhì)，譬如制造一個蛋白質(zhì)受體。他的想法是，如果研究小組能分離出負(fù)責(zé)的基因，并讀取 b-阻斷劑受體的藍(lán)圖，他們就可以得到該受體如何運(yùn)作的線索。
差不多在同時，雷柯維茲錄用了一位年輕的醫(yī)師，布萊恩柯比卡。柯比卡對腎上腺素激導(dǎo)性受體之著迷，來自于醫(yī)院加護(hù)病房的經(jīng)驗(yàn)，一針腎上腺素可以決定病人的生與死。這個激素可以打開一個腫脹的呼吸系統(tǒng)，并加速心跳?？卤瓤ㄏ胍獜哪I上腺素的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)來研究它的力量來源，也因此加入雷柯維茲的團(tuán)隊(duì)。
柯比卡作了基因搜尋。然而，在1980年代想要在人體龐大的基因體內(nèi)尋找一個特定基因，就好像在大海里撈針一樣困難。這個在技術(shù)上高度挑戰(zhàn)的計劃因此進(jìn)展得十分緩慢。不過柯比卡利用了一個很巧妙的想法，使得這個基因終于被分離出來。帶著高度的期待，這些研究者開始分析基因密碼。研究顯示受體具有七條長而且具油性的螺旋形帶子─稱為螺旋體 (圖3)，這暗示了科學(xué)家們，這個受體可能繞進(jìn)和繞出細(xì)胞膜七次。
七次！這與在人體內(nèi)其它地方已經(jīng)找到的另一個受體，具有相同數(shù)目的帶子以及同樣的螺旋形狀。那就是眼睛視網(wǎng)膜上的視紫質(zhì)光受體。這巧合孕育出一個新的想法：這兩種受體有無可能是相關(guān)的，雖然兩者的功能不同？
雷柯維茲后來描述那才是“真正的發(fā)現(xiàn)時刻”。他知道這兩種受體都會在細(xì)胞內(nèi)側(cè)與G-蛋白作用，他也知道約有30個其它的受體是透過G-蛋白運(yùn)作。結(jié)論是：一定有一個完整的受體家族，長相類似而且運(yùn)作的方式相同！
因?yàn)檫@個突破性的發(fā)現(xiàn)，謎底一步步的被組合浮現(xiàn)出來?，F(xiàn)在科學(xué)家們對于GPCRs已經(jīng)具有詳盡的知識─它們?nèi)绾芜\(yùn)作，以及如何在分子的層次被調(diào)控。雷柯維茲與柯比卡一直站在這整個科學(xué)探索工作的最前線。去年，2011年，柯比卡與其研究團(tuán)隊(duì)報導(dǎo)了一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)，他們的工作終于讓他們戴上了桂冠。
 腎上腺運(yùn)作的顯像
成功的分離出基因后，柯比卡搬到了加州史丹福大學(xué)的藥學(xué)院，他在那里開始研究如何取得一個受體的影像：大部分科學(xué)界的人認(rèn)為是不可能的任務(wù) ─ 而對柯比卡來說，那成為了一條漫長的旅途。
要將一個蛋白質(zhì)顯像，牽涉到許多復(fù)雜的步驟，蛋白質(zhì)小到無法用普通的電子顯微鏡來觀察，因此科學(xué)家們使用一種稱為X-射線結(jié)晶學(xué)的方法，他們先培養(yǎng)出一顆蛋白質(zhì)的晶體，其中蛋白質(zhì)分子以整齊且具對稱性的模式整齊排列，就好像水分子在冰晶中，或是碳原子在鉆石中的排列一般。研究者用X-射線照射這個蛋白質(zhì)晶體，當(dāng)射線打到蛋白質(zhì)時發(fā)生繞射，科學(xué)家們可從繞射的圖譜推導(dǎo)出蛋白質(zhì)在分子層次的構(gòu)造與排列。
歷史上第一個蛋白質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)圖像是在1950年代產(chǎn)生。從那時開始，科學(xué)家們已經(jīng)利用X-射線將上千的蛋白質(zhì)顯像。不過它們大都是水溶性的，使得養(yǎng)晶較為容易。少有研究者能將位于油性細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)單離顯像。在水里，這類蛋白質(zhì)就像油難溶于水，而且非常容易形成非晶性的油團(tuán)。此外，GPCRs 天生游動性較高。可是在晶體中，GPCRs的分子又幾乎完全靜止，要讓它們單離結(jié)晶出來遂成為極大的挑戰(zhàn)。
柯比卡花了超過二十年的時間去找到這所有問題的解答，要感謝研究者的決心、創(chuàng)意和分子生物實(shí)驗(yàn)的巧手，柯比卡與其研究團(tuán)隊(duì)終于在2011年完成了最終目標(biāo)：他們得到了一張圖像，顯示受體正在將來自于細(xì)胞外激素的訊號，傳到細(xì)胞內(nèi)的G-蛋白 (圖3)。
這個圖像發(fā)表在“自然”期刊上，論文顯示了GPCRs新的細(xì)節(jié)。例如，當(dāng)被活化的受體打開一個孔洞，準(zhǔn)備與G-蛋白在該處結(jié)合時的長像為何(圖4)，這種資訊對未來發(fā)展新的藥物極為有用。
 人類基因體的按圖索驥，暴露了約有一千個基因是GPCRs 的密碼。大約一半的GPCRs受體接受氣味，并且是嗅覺系統(tǒng)的一部分。約三分之一是激素與訊號物質(zhì)的受體，像是多巴胺、血清素，前列腺素、升糖素或組織胺。有一些受體可捕捉進(jìn)入眼睛的光線，還有一些位于舌頭，給我們味覺。超過百種的受體仍然是科學(xué)家的挑戰(zhàn)，它們的功能仍然有待確認(rèn)。
除了發(fā)現(xiàn)這些受體的各種變體，跟在雷柯維茲與柯比卡腳步之后的研究者發(fā)現(xiàn)它們具有多重功能。一個單一的受體也許可以辨識好幾種細(xì)胞外的激素。此外，它們在細(xì)胞內(nèi)側(cè)不僅僅與G-蛋白作用，它們也可與被稱為攫捕酶的蛋白質(zhì)作用?？茖W(xué)家開始認(rèn)識到這類受體不見得一定與G-蛋白偶合，導(dǎo)致科學(xué)家們開始稱呼它們?yōu)槠呖缒さ鞍踪|(zhì)，因?yàn)樗鼈兙哂衅邆€螺旋形的帶子繞進(jìn)繞出細(xì)胞膜。
這些受體的數(shù)目和靈活性，賦予細(xì)胞為了生命所需，經(jīng)過精細(xì)調(diào)控程序而具備的調(diào)節(jié)能力。我們再回到一開始在公車站逃跑的場景，當(dāng)血液涌入了腎上腺素，不同的組織會有不同的反應(yīng)。流到消化器官的血液減少；同時，流到肌肉的血液增加。腎上腺素的不同效應(yīng)，有賴于體內(nèi)至少有九種不同的受體對此一激素發(fā)生反應(yīng)。某些受體啟動細(xì)胞的活動，而另一些則具有鎮(zhèn)定的作用。
所以下一次你感到害怕時，回味一下美好食物的味道，或是單純的望向天際的星星，想一下你那與G-蛋白偶合的受體。沒有它們，你的細(xì)胞將會相互沖突，混亂將控制你的身體。
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