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细胞表面的聪明受体
作者
:
王曼
徐华强
来源
:
科学
杂志（上海）
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构成生
物体数以亿计的细胞并非孤立地存在，而是一直处于互相联系中，感知周围环境的变化，
作出相应反应，因为它们表面有“聪明”的受体。
强光使
人闭眼、花香使人愉悦、黑暗使人恐惧??，你有没有想过，人的大脑是如何感知外部环
境变化并作出反应的？人的身体由数万亿个细胞组成并精密协调地工作，完成各种生理功能，这其中又是
什么充当传感器来传递信息，使细胞感知周围环境。这些问题一直是个谜，在
20
世纪的大部分时间里，人
们不清楚充当传感器的这些物
质是由什么组成的，以及它们如何工作。两位医生出身的科学家经过不懈的
努力，
揭示了其中的奥秘：
细胞表面存在着一类称为
G
蛋白偶联受体
(G-protein-coupled r
eceptor
，
简称
GPCR)
的蛋白质，它将从外界接受的不同信号分子，通过自身构象的变化激活细胞内异源三聚体的鸟
苷酸结合蛋
白（即
G
蛋白）
，后者将信号传至胞内的效应分子引起反应。
这两位科学家是美国霍华德·
休斯医学研究所和美国杜克大学医学中心医学教授莱夫科维茨（
Ro
bert
Joseph Lefkowitz
）
，斯坦福大学医学院分子与细胞生理学教授科比尔卡（
Brian Kent
Kobilka
）
。因为他们突
破性地
揭示了
G
蛋白偶联受体的内在工作机制，共同获得了
2012
年度诺贝尔化学奖。莱夫科维茨
1968
年利
用放射性追踪细胞受体，将碘同位素标记糖皮质激素和肾上
腺素，证明了受体独立于腺苷酸环化酶（
AC
）
的存在，随后分离纯化了
β
2
肾上腺素能受体（
β
2-adrenergic
receptor
）
，证实了细胞表面受体的存在。
后
加入的科比尔卡则将编码
β
-
肾上腺素能受体的基因从人类基因组中分离出来，并创造性地获得了
β
-
肾上
腺素能受体被激素激活并向细胞
发送信号的精确图像，弄清了它的三维结构及其信号转导机制。
什么是
G
蛋白偶联受体
生物体的基本单位是细胞，细胞由细胞膜及其内的细胞质和细
胞核组成，外界信号进入细胞首先要通
过细胞膜，水和氧气等小分子物质能自由通过，而
某些离子和大分子物质则不能自由通过。因此，细胞膜
除了起着保护细胞内部的作用外，
还有控制物质进出的作用。电子显微镜的观察显示，细胞膜的基本骨架
是磷脂双分子层，
其外侧和内侧还不同深度地镶嵌着很多蛋白质分子，或覆盖于磷脂双分子层表面，亦称
细
胞膜表面蛋白。这些蛋白质起着控制物质进出的作用，包括将外界信号传递到细胞内。
G
蛋白偶联受体是细胞膜上众多膜表面蛋白中的一类，它们将胞外激素、神经递质、肽类等信号
分子
转导入细胞内的效应分子，最终引起细胞反应。具体来说，就是
G
蛋白偶联受体位于细胞外的氨基端（
N
< br>端）区域可识别并结合环境中的多种信号分子，引起受体的构象发生改变，激活细胞内异源三聚体的鸟苷< /p>
酸结合蛋白，后者将信号转导至胞内的效应分子，引起细胞反应。细胞外那些能激活受体的
信号分子就是
配体，它包括光、气味、激素、神经递质和肽类等。这些细胞效应控制生物
体的多种功能，包括人体的五
官感觉。
GPCR
蛋白只有一条肽链，由疏水的跨膜区和易变的亲水环构成。其中跨膜区有
7
个长度相近的
α
螺
旋（多个
氨基酸构成的一种特定螺旋状结构）
，肽链氨基端（
N
端）在胞外，羧基端（
C
端）在胞内（通常
包含磷酸化位点）
，
还有
< br>3
个胞内环、
3
个胞外环。
几乎所有的
GPCR
在跨膜螺旋区的氨基酸
序列都比较保守，
而
C
端、
N
端和回环区域的氨基酸序列则有显著差异，
因此
会形成不同种类和功能的
GPCR
。
此
外，
在
GPCR
基因的表达过程中，基
因突变造成的单核苷酸多态性、翻译后修饰造成的磷酸化和糖基化，以及与配体作
用方式
的差异，都会造成
GPCR
表型的多样性
[1]
。根据它们氨基酸序列的同源性和功能的相似性差异，可
将其分为
6
大类
:
A
类，视紫红质
(rhodopsi
n)
类似受体；
B
类，分泌素受体；<
/p>
C
类，代谢型谷氨酸受体；
D
类，真菌交配信息素受体；
E
类，环腺苷酸受体
；
F
类，卷曲
/
平滑受体。人体内只有
A
、
B
、
C
、
E
、
F
等
5
类受体，
D
类仅存在于低等真核生物体中，如酵母细胞
。
在细
胞内
GPCR
的羧基端和连接第
5
、第
6
个跨膜螺旋的胞内环上都有
G
蛋白的结合位点。
G
蛋白由
3
个亚单位（
G
α
、
G
β
、
G
γ
）组成，易与
GPCR
蛋白结合或分开，也可解离成
3
个独立亚单位。
目前估
计人体内
GPCR
这个受体大家族有
8
00
～
1000
种，但对它们的精细结
构还了解甚少，主要原因
是
GPCR
属
于多次跨膜的蛋白质，其稳定性极差，导致其体外表达、提纯和结晶的难度极高，至今只有
16
种
GPCR
的结构得到解析
[2]
，且大部分都是非活性状态的。
G
蛋白偶联受体的研究历程
早在
18
70
年科学家就在视网膜上发现了对光敏感的视紫红质，
193
3
年沃尔德（
G
. Wald
）发现了视紫红
质与视觉的关系，获得了
196
7
年的诺贝尔生理学或医学奖，但没人把感光系统与体内激素的生理作用联系
起来。受体理论也早在
20
世纪初由兰利（
J. N. Langley
）和希尔（Ａ
.
V
. Hill
）提出，并在
1920
—
1970
年间得
到充分发展，然而受体本身是什么物质并不清楚。
在争论受体是什么物质的同时，对
G
PCR
信号转导机制研究和应用研究已经开始。美国科学家萨瑟兰
（
E. W. Sutherland Jr.
）成功地阐明
了激素调控的分子机制，尤其对肾上腺素受体第二信使——
cAMP
的信
号转导进行了系统阐述，获得了
1971
年诺贝尔生理学或医学奖；吉尔曼（
A.
G
.
Gilman
）和罗德贝尔（
M. <
/p>
Rodbell
）则因发现
G
蛋白及其在
GPCR
信号通路中的关键连接作用而
分享
1994
年诺贝尔生理学或医学奖；
2000
年坎德尔（
E.
Kandel
）和格林加德（
P. Greengard
）凭借对
cAMP
信号通路及其生理功能的诠
释而获得
诺贝尔生理学或医学奖。另一方面，
GPCR
的基础研究也为药物开发提供了理论依据和方向性指导。博韦
特
（
D. Bovet
）
等首次研究了组胺在免疫及过敏反应中的作用，并成功利用抗组胺药物用于治疗过敏，
这
一
突出贡献最终获得
1957
年诺贝尔
生理学或医学奖。布莱克（
J.
Black
< br>）因发明
β
受体阻断剂普萘洛尔
（
propranolol
）于
198
8
年获得诺贝尔生理学或医学奖。卡尔松（
A. Carlss
on
）因对多巴胺及其在帕金森病治
疗中的应用研究获
2000
年诺贝尔生理学或医学奖。纵观百年诺贝尔奖的历史，针对
GPCR
系统的研究引领
着生命科学基础与
应用研究的重要方向，同时也为人类健康作出了重大贡献。
目前关于
GPCR
< br>的认知很大程度上受益于莱夫科维茨和科比尔卡的开创性工作，他们从根本上改变了
人们对
GPCR
受体和跨膜信号传递的认识，对现代药物设计
的方式有着重要的影响。
两位获奖者的科研之路
莱夫科维茨
1966
年于哥伦比亚大学医学院获得医学博士学位，
1968
年开始利用放射性同位素追踪受体。
他将碘同位素结合到多种激素上，通过观测同位素的
放射性，发现了糖皮质激素和肾上腺素，证明受体独
立于腺苷酸环化酶存在，并逐步摸索
受体的分离方法，直至
1979
年他首次改进了纯化蛋白质的方
法，并纯
化出
β
2
－肾上腺素能受体，证明将其放回细胞中后有受体活性，使人们真正相信细胞表面受体的独立存
在。他用同位素配体结合的方法提出配体
-
受体
-
效应器结合的三级复合物模型，之后从细胞膜上提取到这
种受体并初步阐明了其工作机制。
1980
年代人
β
2
－肾上腺素能受体蛋白被成
功分离后，新加入的科比尔卡尝试从庞大的人类基因组中
克隆编码仓鼠和人
β
2
－肾上腺素能受体的基因获得成功，
并发现人
β
2
－肾上腺素
能受体含有
7
个
α
螺旋，
该结构与视网膜中负责感应光的视紫红质的结构类似，当时视紫红质的序列已
测出（因其蛋白质丰度远远
高于其他
GPCR
< br>）
，但并不知道视紫红质也是
GPCR
< br>。莱夫科维茨认为
β
2
－肾上腺
素能受体和视紫红质蛋
白同属于一个尚未发现的蛋白质家族，从而第一次将光能感应和激
素感应的受体直接联系起来。
GPCR
蛋
白质家族以
7
个
α
< br>螺旋为标志，并可能大部分都可偶联
G
蛋白。这一推断很
快被他自己实验室和其他实验
室克隆的一系列受体所证实，包括光、味道、气味、肾上腺
素、组织胺、多巴胺和血清素（
5-
羟色胺）等
[3]
。这些研究揭示了
GPCR
是一个包括孤儿受体在内的有
800
～
1000
个成员的信号转导超家族，改变了早
期化学家只能
通过合成与天然激素或神经递质结构相类似的分子来制造
G
蛋白
偶联受体药物的局面，也加
速了嗅觉受体这一超家族的发现和克隆。
莱夫科维茨同时致力于阐明
GPCR
的工作原理，
率先阐明
GPCR
被
G
蛋白偶
联受体激酶
（
GRK
）
磷酸
化导致脱敏的机理，继而发现
GPCR
被
G
蛋白偶联受体激酶（
GRK
）磷酸化后，还与抑制蛋白（
arrestin
）
结合，从而介导受体内吞和脱敏（受体内吞是抑制蛋白介导的细胞内吞
，受体两边的细胞膜互相靠近，最
后连接起来形成小泡，
游离于
细胞质中，
有助于
GPCR
的脱敏）<
/p>
。
最近
10
年来
，发现抑制蛋白不仅在受体内
吞中起重要作用，还会启动一波新的信号转导，从而提出了
偏向性信号通路和配体的概念，并引导了一些
新的临床前期药物的发现。
科比尔卡的科研经历坎坷，为进一步阐明
GPCR
的工作原理，他独立奋斗了
15
< br>年。期间曾被一所重要
的基金资助研究所解聘，
实验室面
临缺乏研究经费而关闭的危险，
但他一直坚持做
GPCR
晶体结构的工作，
之后斯坦福大学给了他稳定的资助，终于让他在
2006
—
2007
年间找到了通过抗体结合和在受体细胞内第三
环中插入溶菌酶的技术，使大部分低丰度
的扩散型配体的
GPCR
得以表达、提纯和结晶，从而成功解析
了
人
β
2-
肾
上腺素能受体的晶体结构。更重要的是其研究团队于
2011
年
成功捕获
β
2-
肾上腺素能体被一激素
分子激活、并向细胞内传递信号的瞬间图像，从而解析了
β
2-
肾上腺素能受体与
G
< br>蛋白三聚体复合物的晶
体结构，第一次在原子水平分辨率上阐明
< br>GPCR
如何把激素信号从细胞外转导到细胞内的分子机制
[3]
，这
是科比尔卡获奖的主要原因。他的成功再次证明科
学的奥秘终究会向持之以恒的人打开。
G
蛋白偶联受体研究的意义和挑战
GPCR
在人体内广泛表达并发挥着基础性生理作用，参与感知、生殖、发育、生长、神经和精神等多
< br>种生命活动，其信号通路的失调与内分泌、代谢、心脑血管、肿瘤、免疫和感染性疾病，以及神经和精神< /p>
疾病等的发生、发展密切相关，药物可以通过激活或抑制
GPCR
而发挥治疗作用。因此，这类蛋白质家族
已成为研制药物最重要
、最有前景的靶标库。
从近几十年药物发展的历史看，全球
70%
的药
物都是针对
GPCR
的。目前上市的药物中，前
50
种最畅
销药物中的
20%
是
G
蛋白受体相关药物，如充血性心力
衰竭药物卡维地洛（Ｃ
arvedilol
）
< br>、高血压药物科素
亚（Ｃ
ozaar
）
、乳腺癌药物诺雷德（Ｚ
oladex
< br>）
、精神类药物奥氮平（Ｏ
lanzapine
）
、消化系统药物雷尼替丁
（Ｒ
anitidilne
）等。全球药物市场三分之一的小分子药物是
GPCR
的激活剂或拮抗剂。
但由于对
GPCR
的结构与功能、信号通路及其调控机制等的了解目前还十分有限，而
GPCR
又是一个
庞大的跨膜蛋白受体家族，
人体
800
多个
G
PCR
中有
200
多个潜在药物靶标，
真正用于药物研发的才
60
余个，
绝大部分与重大疾病相关的
GPCR
结构至
今仍未得到解析。
且仍有半数以上
GPCR
为配体未知的孤儿受体，
生物学功能仍不明确，这些孤儿受体也是重要的潜在药物靶
点
[4]
。因此，利用基因组学的手段确定孤儿受
体，通过寻找其内源性配体，确定其在生理病理条件下的生物学功能仍是新药研发的关键环节之一
[5]
。此
外，有三维结构的
GPCR
不到总数的
1%
，
严重制约了
GPCR
功能的深入研究和新配体的发现；
GPCR
参与
调控的信号通路和网络十分广泛而
复杂，而目前的方法和技术不足以深入探索这些问题。所有这些问题既
是挑战，也给中国
科学家带来了机遇。
此次诺贝尔化学奖不仅是对两位科学家在
G
蛋白偶
联受体发现、鉴定及结构生物学研究上所作重要贡
献的褒奖，更为全球低迷的医药行业注
入了一剂兴奋剂。我国是一个人口大国，更是一个医疗消费大国，
如何从医药消费大国变
为医药强国，靶向
GPCR
的创新药物研究是一个极为关键的突
破点。目前我国已充
分认识到
GPCR
与新药研究的重要性和紧迫性，组建了
GPCR
研究的战略联盟
，通过有效整合丰富的研究
资源进行联合攻关，争取在
GPCR
基础、临床和新药研发等环节取得突破，建立资源共享和合理的利益分
< br>配机制，调动各方面积极性，促进产学研联合，加快研究成果的转化和相关药物研发
[1]
Nelson
C
P,
Challiss
RA.
“
Phenotypic
”
pharmacol
ogy:
the
influence
of
cellular
environment
on
G-protein-coupled
receptor
antagonist
and
inverse
agonist
pharmacology.
Biochem
Pharmacol,
2007,73
（
6
）
:737-751.
[2]
Vsevolod
K,
Vadim
C,
Raymond
C
S.
Structure-
function
of
the
G-protein-coupled
receptor
superfamily.
[2012-12-20]
/doi/pdf/10.1146/annurev-pharmtox-032112-135923.
[3]
肖鹏
,
杨乐
, Zhang
C
，
等
. G
蛋白偶联受体家族的发现和结构机理研究—
2012
年诺贝尔
化学奖解读
.
生物
化学与生物物理进展
,
2012,39
（
11
）
:1050-1060.
[4]
Howard
D
A,
McAllister
G
,
Feighner
S
D,
et
al.
Orphan
G-protein
coupled
receptors
and
natural
ligand
discovery. Trends Pharmacol Sci,
2001,22:132-140.
[5] Lee D K, George S
R, O
’
Dowd B F. Continued
discovery of ligands for G-protein-coupled
receptors. Life Sci.
2003,74:293-297.
G
蛋白偶联受体
G Protein-Coupled Receptors
编
者：
Sandra Siehler
Graeme
Milligan
出
版
社：
Cambridge University
Press
索
书
号：
Q5
1/G111s/2011/Y
藏书地点：武大外教中心
G
蛋白偶联受体是一种与三聚体
G
蛋白偶联的细胞表面受体，
是迄今发现的
最大的受体
超家族，其成员有
1000
多个。
G
蛋白耦联型受体为
7
次跨膜蛋白，受体胞外结构域识别胞外
信号分子并与之结合，胞内结构域
与
G
蛋白耦联。通过与
G
蛋白耦联，调节相关酶活性，
-
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