2020 年度上海市自然科学奖一等奖项目：G 蛋白偶联受体结构与功能的系统性研究

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今天，我们知道 G 蛋白偶联受体 (GPCR) 是最大且最普遍的质膜受体家族之一。人类基因组中有大约一千个编码此类受体的基因，它们调节人类生理过程的几乎所有已知方面，例如视觉、味觉和嗅觉等感觉方式。正因为如此，目前FDA批准的药物中约有三分之一是针对GPCR的，而且这一比例还在不断上升。

不难看出，这个庞大而多样的受体家族是生命科学和医学领域极其重要的研究对象。随着GPCR结构和功能的深入研究，它们不仅成为药物研发的主要靶点，而且为我们理解人体生理学的基本原理提供了极其重要的启示。

对“受体”的探索

受体研究在当今的生物医学研究中发挥着非常重要的作用，但直到最近三、四十年它们的存在才被普遍接受。一个多世纪以来，细胞如何感知和响应外部刺激一直是生物学的关键问题。跨越细胞膜、能够感知和转导信号的“受体假说”在今天看来似乎合乎逻辑，但当这个想法在20世纪初由英国药理学家JN兰利首次提出时，却引起了很大的争议和质疑。兰利的假设指出，受体结构具有两个相互关联的功能：首先，受体与化学物质或刺激物相互作用，很可能是通过以特定方式结合它们；其次，受体与化学物质或刺激物相互作用。其次，受体还作用于细胞内效应器以改变其功能。

讽刺的是，尽管兰利的假设并未得到当时学术界的认可，但他的学生亨利·戴尔却因其对胆碱能神经元信号传导的研究而获得了1936年的诺贝尔奖。现在科学家们早已确定乙酰胆碱受体是嵌入细胞膜的蛋白质，其中毒蕈碱受体（M受体）是GPCR的一种。长期以来，许多科学家，比如萨瑟兰伯爵（Earl ），都“在一旁”证明了受体的存在。

20世纪40年代，萨瑟兰专注于研究人体在饥饿状态下的能量代谢机制，并发起了一系列关于肾上腺素和胰高血糖素刺激肝糖原转化为葡萄糖的机制的实验。他发现这些激素通过间接而复杂的机制增加了肝脏中磷酸化酶的数量。直到1956年，他只能在完整的肝细胞中证明肾上腺素的这种功能。但在 1957 年，他证明这些激素可以激活肝匀浆中的酶。

及其同事的进一步研究表明，离心肝脏匀浆会使酶失活，并且向离心后产生的上清液中添加激素不会重新激活酶。

然而，当将激素添加到离心的细胞碎片中时，它们会刺激热稳定因子的形成，从而激活酶。

该因子被分离出来，后来被鉴定为腺苷 3',5'-单磷酸，更广为人知的名称是环 AMP (cAMP)，该酶被命名为腺苷酸环化酶。萨瑟兰还因这项杰出工作获得了1971年诺贝尔生理学或医学奖。的研究表明，肾上腺素激活一种膜酶——腺苷酸环化酶，该酶合成细胞内第二信使 cAMP，通过涉及蛋白激酶的信号级联确保糖原水解。

但是激素和肾上腺素等神经递质（其中许多当时已被识别）是如何被细胞识别的呢？

因此药理学家“伪造”了受体的概念。当时受体还被称为受体（）。其中一些受体，特别是肾上腺素能受体和去甲肾上腺素能受体（例如α-和β-肾上腺素能受体），具有明确的药理学特征。然而，在20世纪60年代末，受体仍然没有生化实体。

此外，还有很多与GPCR无关，但实际上与GPCR密切相关的科学发现。例如，1967年的诺贝尔生理学或医学奖授予了发现动物光接收机制的科学家。我们现在知道视紫红质或光感受器蛋白是 GPCR 家族的成员，但当时光感受器系统与细胞信号转导还没有联系。

“感知”和“看到”GPCR

“假说”的证据已经足够了，一些科学家开始寻找这些“看不见、摸不着”但客观存在的东西来证明它们的存在。

20世纪60年代，美国科学家马丁·罗德贝尔（）将计算机信息处理过程与细胞信号转导过程进行比较，完善了第二信使理论，提出了新的作用模型，即信号传输需要三类信号。基本部件：鉴别器、转换器和放大器。细胞膜上的受体充当鉴别器，cAMP引起的下游激活充当放大器。两者之间的转换器是G蛋白。 1980年，（G.）纯化了G蛋白，发现它由α、β、γ三个亚基组成，因此又称异源三聚体G蛋白。

他进一步阐明了G蛋白的作用机制：当配体与受体结合时，三聚体G蛋白解离并交换GDP和GTP。游离的α-GTP处于激活的开放状态，使其结合并激活效果。细胞器蛋白，从而传递信号；当α-GTP水解形成α-GDP时，处于无活性的封闭状态，终止信号传递并导致三聚体G蛋白重新组装，系统恢复到静止状态。

2012年诺贝尔化学奖获得者莱夫科维茨（左）和科比尔卡（右）

和的发现揭示了G蛋白将细胞外信号转化为细胞内信号的分子机制，开创了细胞信号跨膜转导研究的新时代。同样，罗德·贝尔和吉尔曼也因这项杰出工作获得了 1994 年诺贝尔生理学或医学奖。从那时起，G蛋白就有了名字。

但是充当“鉴别器”的受体又如何呢？他们当然不会被忽视。与此同时，一些杰出的科学家也在努力研究如何“感知”和“看到”受体。

1968年至1971年，美国科学家罗伯特·莱夫科维茨（J.）与他的学生和同事一起开发了放射性配体结合分析技术，并利用放射性标记方法标记了糖皮质激素和肾上腺素，证明了体内不依赖于腺苷酸环化酶的存在。通过逐步探索受体分离方法，莱夫科维茨团队纯化了β-肾上腺素能受体。

几年后，他们将可以与肾上腺素结合的纯化细胞表面蛋白引入对肾上腺素没有反应的细胞中，他们发现这些细胞的行为与具有肾上腺素受体的细胞一致。这个实验的结果让人们真正相信了细胞表面受体的独立存在。此外，他们还利用放射性配体结合来研究多种因素对受体的调节，发现了以前未知的受体亚型。在此基础上，他们发展了关于受体作用机制的理论。

如今，克隆基因可能是一项非常简单的任务，几乎每个生化实验室都可以完成。只要有纯化的肾上腺素受体蛋白，通过序列测定就可以得到该蛋白的部分序列信息，从而极大地促进肾上腺素受体的研究。但由于当时的技术限制，这项工作就像大海捞针一样。即使在1984年成功克隆视紫红质基因之后，人们仍然没有将光感受器与激素受体联系起来，而且由于激素受体的表达水平极低，这项工作变得尤为困难。

1986 年，Brian K. 作为实验室研究助理加入并领导了这项工作。起初，工作非常困难，多次尝试利用cDNA（逆转录DNA）文库进行克隆，仍然未能获得正确的结果。然而，科比尔卡提出了尝试利用基因组文库来完成克隆任务的大胆想法。正是在这一年，莱夫科维茨的实验室成功克隆、测序和分析了编码仓鼠β2肾上腺素受体蛋白（β2AR）的基因，创造了一个里程碑。

经过对基因序列的深入研究，他们惊讶地发现β2-肾上腺素受体蛋白和牛视紫红质蛋白的氨基酸序列惊人地相似。两者都包含七个跨膜区域。和敏锐地推断出视紫红质受体和β2-肾上腺素能受体可能属于同一家族，该家族可能编码许多重要的激素受体。此后不久，毒蕈碱乙酰胆碱受体的克隆实验进一步证实了这一推论。

在此基础上，等人很快成功克隆了编码人β2肾上腺素受体蛋白的cDNA，还克隆了编码人β1肾上腺素受体、人血小板α2肾上腺素受体、5-羟色胺的cDNA。受体和一系列受体基因，包括第一个孤儿受体。这项工作获得的信息和技术也为嗅觉受体超家族的发现和克隆奠定了基础。最终，嗅觉受体的研究获得了2004年诺贝尔生理学或医学奖。

除了成功克隆各种受体基因外，科比尔卡还尝试了一项大胆的事业：肾上腺素受体的结晶和结构分析。这项工作在当时看来几乎是不可能的，因为 GPCR 蛋白丰度低，难以纯化，而且非常不稳定。这些因素决定了其结晶相当困难。随后的故事也再次向我们证明了这一点——随着一些新兴技术的不断发展，科比尔卡花了十几年的时间才完成了这项工作。

不过，在的实验室里，还通过融合蛋白、裂解蛋白等方法探索了GPCR上发挥关键作用的区域。在斯坦福大学建立自己的实验室后，他通过使用嵌合受体和定点突变体的一系列研究，并通过使用荧光光谱来表征激动剂结合和激活的机制，继续完善 GPCR 功能域图谱。这为后续GPCR蛋白结构的研究奠定了坚实的基础。

2000年，第一个高分辨率的视紫红质三维结构被发布。这种结构让人们清楚地看到GPCR的七次跨膜结构，更直观地展示了其结构域之间的相互作用。这些结果为科比尔卡提供了宝贵的经验，他开始逐步确定纯化、溶解和稳定这些分子所需的条件，但他也遇到了危机——他的研究经费受到了威胁。

成功虽晚，但终会到来。 2007年，科比尔卡的研究成果迎来爆发。他几乎同时通过将GPCR与抗体共结晶并将溶菌酶插入到第三个细胞内环中获得了β2-肾上腺素受体。第二种方法不仅得益于脂质立方体技术的发展，也与他之前在分子水平上探索GPCR结构域相互作用的工作密不可分。这些成果几乎同时发表在、、等顶级期刊上。

从那时起，他的实验室和其他几个实验室在激动剂、拮抗剂或反激动剂存在下成功结晶了大约 50 个 A 家族 GPCR 结构，甚至共结晶了 β2-肾上腺素能受体。这些工作让人们对GPCR的工作原理有了更全面、直观的了解。

由于出色的工作，科比尔卡和他的前“老板”莱夫科维茨共同获得了2012年诺贝尔化学奖。事实上，诺贝尔奖此前曾多次颁发给GPCRs研究，涉及受体、配体、感觉、疾病等多个研究领域。然而直到这个时候，人们才发现了它的空间结构与G蛋白之间的相互作用。有一个清晰、全面的认识。

中国科学家系统揭示大麻素受体

分析GPCR的分子结构不仅可以让我们从微观角度更好地了解自身的生理结构，而且可以将其作为开发新药物靶点的基础，具有非常重要的科学和现实意义。 “做科研可能有99.99%的失败，0.01%的成功，这意味着你必须能坐冷板凳，经受持久战的考验，只有有信心、有决心的人才有希望。”这是上海科技大学刘志杰教授激励学生常用的话语，也是他科研工作的真实写照。

刘志杰教授团队及其对大麻素受体CB1和激动剂复合物三维结构的分析。多年来，刘志杰将研究重点放在与重大疾病相关的GPCRs上，并涉足多种精神神经疾病、疼痛与炎症、免疫调节疾病等靶点，不断取得突破和丰硕成果。主要方向之一是大麻素受体结构和功能的系统研究。

为什么大麻素受体如此值得研究？人体有11个主要器官系统，包括循环系统、呼吸系统、泌尿系统等，所有这些系统构成了人体。此外，还有内源性大麻素系统（ECS）。虽然大多数人不太了解，但它非常重要——通过动态平衡来调节身体。例如，体温不能太热或太冷，血糖水平不能太高或太低等。 ECS系统主要涉及三个关键部分：存在于细胞表面的大麻素受体、激活大麻素受体的内源性大麻素、和分解内源性大麻素的代谢酶。大麻素受体有两种主要类型 - 两种 G 蛋白偶联受体分子：CB1 和 CB2。 CB1在中枢神经系统中含量较多。例如，当神经元过度兴奋时，内源性大麻素就会被释放，它与 CB1 结合，使过度活跃的神经元平静下来。

我们熟悉的大麻中的关键成分 THC 也与 CB1 结合并发挥作用。如果科学家能够揭示其作用机制，那么挖掘大麻的治疗价值将成为可能。实际上已经有研究人员在探索这项工作，包括探索大麻可以对抗癌症疼痛但产生较少副作用的可能性。近年来研究发现，可治疗抑郁症的“裸盖菇素”也可能通过CB1发挥作用。

CB2 在神经系统之外（包括免疫系统细胞）更为丰富。当细菌或病毒感染触发免疫反应时，免疫细胞会释放“促炎分子”，这是一种信号分子，告诉其他免疫细胞加入战斗。内源性大麻素也会被释放，向其他免疫细胞发出信号寻求帮助，同时避免过度的炎症反应；当炎症结束时，促使细胞和身体恢复平衡状态。因此，CB2受体被认为是治疗炎症和免疫疾病（如疼痛、类风湿关节炎、自身免疫性疾病等）的理想靶点。

近年来，刘志杰教授及其研究团队系统揭示了大麻素受体拮抗、激活和信号转导的分子机制。相关研究成果分别于2016年、2017年和2019年发表在《》和《Cell》杂志上。 2023年，华天/刘志杰团队及其合作者在国际学术期刊《》上发表研究论文，从分子水平揭示了大麻素受体CB2与配体结合的选择性机制。该研究为CB2靶向药物的设计提供了精确的模板和理论指导。

刘志杰教授团队。

除了大麻素受体之外，刘志杰教授团队在其他GPCR的结构解析方面也取得了重要科研成果。 2017年，他们成功解析了糖尿病治疗重要靶点GLP1受体与变构小分子复合物的三维结构，并揭示了其拮抗机制。 2023年流行的是GLP1受体激动剂，这是埃隆·马斯克引发的。它本来是用来治疗糖尿病的，但人们无意中发现它的“副作用”——减肥却相当有效。刘志杰团队的研究成果与该药物的结构基础密切相关。

此外，刘志杰团队在揭示与肥胖、精神分裂症、癌症等相关的GPCR受体的结构和机制方面也相继取得重要发现。由于各项重要发现，“G蛋白偶联结构与功能的系统研究”刘志杰教授团队完成的“受体”项目荣获2020年度上海市自然科学奖一等奖。

值得注意的是，2022年9月16日，刘志杰教授团队在《》杂志上发表苦味受体的冷冻电镜高分辨率结构，成功破解苦味受体之谜。这也是世界上首次出版。苦味受体结构。该研究填补了T型GPCRs结构的空白，为探索苦味受体的结构和机制开辟了新途径。未来还将推动针对苦味受体的化学传感和候选药物分子的探索。要知道，感觉受体的发现早已受到诺贝尔奖的青睐。