小议诺贝尔化学奖
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇小议诺贝尔化学奖范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：介绍了2012年诺贝尔化学奖获得者——美国杜克大学教授罗伯特·洛夫科维茨和斯坦福大学教授布莱恩·克比尔卡，在G蛋白偶联受体领域的开创性贡献和引领性研究。分析了两位科学家成功的因素，阐述了这一研究成果的价值和发展前景。
关键词：诺贝尔化学奖；G蛋白偶联受体；罗伯特·洛夫科维茨；布莱恩·克比尔卡
文章编号：1005—6629（2013）1—0003—04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 引言
2012年10月10日，诺贝尔委员会宣布将本年度化学奖授予两位美国生物学家罗伯特·洛夫科维茨（Robert.Lefkowitz）和布莱恩·克比尔卡（Brian.Kobilka），以表彰他们在发现G蛋白偶联受体（G-Protein-CoupledReceptors，缩写为GPCRs）及其工作机制探索方面所做出的杰出贡献。笔者作为一名长期从事药物化学研究的科研人员，在获知这一消息时首先感到一些不解，诧异于本年度化学奖会授予两位医生出身的生物学家。笔者正是带着这样的困惑，从_个化学工作者的角度去理解今年诺贝尔化学奖的工作及意义，并在此与大家分享。
我们知道，应激反应是生命体区别于非生物体的一个重要特征，生物体从而可以对外界环境的各种变化（如光、温度、声音及气味等）做出动态反应。细胞作为人体最基本的结构和功能单位，其表面被一种“磷脂双层”结构的细胞膜所包裹，以阻止外来有害物质的入侵，确保其内部生化环境的相对稳定。然而细胞并非是“闭关锁国”孤立存在的，而是通过某种信号传导机制，与外界时刻进行着信息传递，以保证各种生理过程的正常进行。细胞所具有的这种信息传递系统便是由位于细胞膜上的G蛋白偶联受体作为主体通讯蛋白所构成的，它们就像是细胞的“信号接收器”，接收外界信号并传导到细胞内部。
2 发现G蛋白偶联受体家族
G蛋白偶联受体是联系细胞内外环境的桥梁。然而在20世纪60-70年代以前，人们并不了解细胞感知外部环境的具体机制，甚至许多资深科学家都怀疑细胞表面是否真的存在着某种受体。到了上世纪60年代末期，年轻的洛夫科维茨加入了美国国立卫生研究院（NIH）的医生研究实习计划，尝试使用放射性同位素标记技术这一经典的化学手段对一些激素分子进行标记，以期寻找到这些激素分子的受体。激素分子被放射性同位素标记后，就如同被装置了信号发射器，通过检测放射信号，就可以对被标记激素分子的生理过程进行动态跟踪。1970年他使用放射性碘-125标记促肾上腺素（Adrenocorticotropic Hormone，简称ACTH，一种多肽激素），初步证明在细胞的表面可能存在着某种受体。
第二年，洛夫科维茨使用放射性氢-3标记去甲肾上腺素（Norepinephrine），发现在狗心肌细胞中可能存在着受体。他还设计发明了使用亲和层析柱的方法用于分离纯化受体。他在琼脂糖的侧链上引入一个小的糖链，并通过该糖链人工引入去甲肾上腺素或者肾上腺素这类激素分子，这样改造后的琼脂糖柱就可以选择性地吸附受体。到了1983年，他把纯化后的可以与肾上腺素分子结合的受体蛋白转入到不响应肾上腺素的细胞，发现细胞的表现与具有肾上腺素受体的细胞相同，让人们真正相信了在细胞的表面确实存在着受体。
由于蛋白质是被基因（DNA）所编码，然后再翻译成蛋白质的。因此要想真正了解肾上腺素受体，还需要在庞大的人类基因组中寻找到编码该蛋白的基因，即其DNA序列，并实现该基因的正确表达，即克隆。起始工作异常困难，采用已有方法反复试验均告失败，此时在洛夫科维茨实验室做博士后的克比尔卡发挥了关键性作用，他大胆地提出了新的试验方案。经组内热烈讨论后，洛夫科维茨最终同意了这一近乎“疯狂”的研究方案。新方法很快获得了成功，在1986年首次实现了编码仓鼠B2肾上腺素受体基因的正确克隆。
随后在对该受体蛋白的氨基酸序列进行分析时，他们发现B2肾上腺素受体的氨基酸序列与1984年报道的牛的“光受体”视紫质蛋白（Rhodopsin）具有显著的相似性，二者都具有七次跨膜结构。洛夫科维茨和克比尔卡推断视紫质蛋白和肾上腺素受体很可能属于同一蛋白家族，有着相似的工作机制，同时这一家族还包含了很多重要的激素受体。就是这灵光一闪的推断最终导致了G蛋白偶联受体超家族的发现。目前已经发现了约1000多个受体蛋白成员。
3 G蛋白偶联受体的工作机制研究
不同于化学小分子，G蛋白偶联受体是一类生物大分子，是由350～1200个氨基酸残基通过肽键首尾链接而成的一类细胞膜蛋白质。它们通过其特征性的七次跨膜螺旋“锚定”在细胞膜的磷脂双层中，并由此组成了横跨细胞膜的胞外和胞内两个部分。外界环境中的各种信号分子（如嗅觉分子）可与其胞外部分结合，引起G蛋白偶联受体空间形态发生改变，促使细胞内部分与G蛋白三聚体（Gα、Gβ和Gγ的复合物）结合并释放出被激活的Gα蛋白，后者进一步激活相关酶，引发一系列级联放大反应，最终表现为各种生理反应如嗅觉、视觉等。由于七次跨膜螺旋结构是该类蛋白的一个共有特征，因此人们倾向于将C蛋白偶联受体称为“七螺旋跨膜受体”，其工作机制如图1所示。
然而要想在分子水平上研究肾上腺素受体的工作的具体细节，还需要获得该蛋白的单晶，并通过晶体解析的方法获得受体在原子水平上的空间形态信息。与视紫质蛋白不同，大部分的G蛋白偶联受体在细胞内的含量很少，且具有复杂而柔韧的七次跨膜结构，有着多种空间形态，在培养单晶的过程中容易被降解或者变性失活。因此培养G蛋白偶联受体的单晶是一项巨大的挑战，在很长的一段时间里，人们一直无法获得除视紫质蛋白以外的其他家族成员的单晶。
在发现肾上腺素受体以后，洛夫科维茨就已经着手尝试结晶肾上腺素受体，而克比尔卡在成功获得肾上腺素受体编码基因后，也把解析肾上腺素受体的晶体结构作为自己未来的科研目标。1989年克比尔卡离开洛夫科维茨实验室，经过了近20年孜孜不倦和艰苦卓越的研究，终于在2007年实现了除视紫质蛋白以外的首个非活性的G蛋白偶联受体-β2肾上腺素受体的晶体结构解析。2011年初，克比尔卡实验室又成功获得了第一个处于活性状态的β2肾上腺素受体结晶，很快又获得了第一个处于活性状态的肾上腺素受体与G蛋白结合后的蛋白复合物的晶体结构（见图2）。这是一项振奋人心的科研成就，是人们第一次在原子水平上观察到了G蛋白偶联受体与G蛋白结合的详细细节，此时肾上腺素受体的胞外部分与小分子结合，胞内部分则与G蛋白结合。其情形就像是扣动了手枪的扳机后，枪栓推动子弹正要发射的瞬间。作为今年化学奖的皇冠之作，诺贝尔评审委员会说，这一图像是“分子水平上的杰作”，是几十年研究的结晶，对于在分子水平上理解细胞的信号传导机制具有重要而深远的意义。
4 成功的秘诀
笔者认为洛夫科维茨和克比尔卡的成功是多种因素作用的必然结果，概括起来主要有以下五点：
（1）早期建立了大规模分离纯化肾上腺素受体蛋白的技术平台。在1979年洛夫科维茨实验室利用肾上腺素受体亲和层析以及抗体等技术手段，已经能够在较大规模上分离纯化肾上腺素受体，后期又实现了受体基因编码的成功克隆，这些都保证了开展研究所需的蛋白来源。
（2）蛋白晶体学领域相关的结晶新方法以及高灵敏度晶体解析新技术的发展。1997年Maekinon用蛋白抗体的方法成功获得了离子通道的晶体，脂立方技术的运用则使得结晶膜蛋白成为可能。
（3）知己知彼，百战不殆。尽管肾上腺素受体结构复杂，空间形态多样，但通过长期的研究中发现，受体蛋白某些位点上的结构改动并不会影响其整体形态的变化及其功能的正常发挥。因此他们想到可以先借助外力将受体蛋白“锁定”在某种形态，然后对形态稳定后的蛋白进行结晶。使用小分子化合物与受体结合后，通过在肾上腺素受体的第三个细胞内环上插入溶菌酶以及与抗体共结晶这两种技术手段，克比尔卡实验室在2007年成功解析了β2肾上腺素受体的两种晶体结构。此后关于G蛋白偶联受体晶体解析的研究开始日趋活跃，特别是运用溶菌酶插入技术，已成功解析了许多G蛋白偶联受体的晶体结构。
（4）兴趣推动的勤奋与坚持。医生在美国是受人羡慕的职业，两位获奖者都曾做过医生，但出于对科学的热爱，他们最终与G蛋白偶联受体结缘并为之乐此不疲。特别是克比尔卡，他在离开洛夫科维茨实验室后的前十几年里_直没有重大的突破，以至于霍华德休斯医学研究所（一个有名的擅长支持长期高风险研究的机构）都失去了信心，并在2003年停止了研究经费的资助。在那段艰难的时间里，克比尔卡没有条件招收博士后，就只能自己亲手做实验继续他的研究，最终获得了成功。克比尔卡自言，他的坚持是基于一种盲目的乐观“问题总归会解决的”，即我们所说的“车到山前必有路”。
（5）人格魅力。在克比尔卡的博士后学生杜洋眼中，他不仅是一个纯粹的科学家，而且是一个接近于完美的人，做事低调，性格温和，为人谦虚，坚韧执着，是非常合格的导师、丈夫和父亲。他总是能顾及其他人的感受，从来不会对学生语气生硬，更别说生气。克比尔卡—直非常肯定众多合作者的贡献，给予公平的承认，让每个合作者都心悦诚服。唯一的缺点可能就是他不太擅长和别人谈论科研以外的话题，对媒体的采访也很不适应，甚至于会觉得紧张。清华大学生命科学学院院长施一公教授说，克比尔卡是一个真正的科学英雄。
5 展望
作为细胞的“聪明受体”，G蛋白偶联受体与我们的生活息息相关。它们广泛参与了人类的感知、生殖、生长发育、神经和情感等多种生理过程和生命活动，与心脏病、糖尿病、肿瘤、免疫、感染性疾病以及精神类疾病等多种疾病的发生、发展和治疗密切相关，半数以上的现代药物都是通过G蛋白偶联受体发挥作用的。但是G蛋白偶联受体家族庞大，目前也只是开发了30%左右的G蛋白偶联受体用于药物开发，因此我们目前所获得知识还只是冰山一角。随着认识的深入以及新技术的发展，G蛋白偶联受体的研究将会获得更大的发展，并使整个制药工业受益。
或许中科院生物物理研究所的王江云老师很早就悟出了今年诺贝尔化学奖的玄机，他在2012年10月23日的博文中这样写道：2012年诺贝尔化学奖颁给两位生物学家，一方面是表彰两位科学家在G蛋白偶联受体领域奠基性的贡献，同时也是对药物化学家和有机化学家的褒奖，正是由于化学家们创造出了这么多非常有效的药物，才使得洛夫科维茨和克比尔卡的基础研究得以真正造福人类。也许，这才符合诺贝尔本人设立诺贝尔奖的初衷，即表彰那些能够真正造福人类的重大发现和发明。