走近諾貝爾獎(jiǎng)細(xì)胞也能感知世界

1、走近諾貝爾獎(jiǎng) （八 ）細(xì)胞也能感知世界美國(guó)科學(xué)家羅伯特 ?萊夫科維茨和布萊恩 ?克比爾卡告 訴我們，細(xì)胞也有感受環(huán)境變化的“感覺(jué)器官” 。兩位科學(xué) 家因發(fā)現(xiàn)細(xì)胞“感覺(jué)器官”的一些特殊類(lèi)型而獲得 2012 年 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)向全世界人這樣解釋 2012 年化學(xué)獎(jiǎng)獲得者的研究成果： “人的身體是一個(gè)精妙調(diào) 和的系統(tǒng)，幾十億細(xì)胞之間相互作用。每一個(gè)細(xì)胞都具有微 小的受體，使其可以感知周?chē)h(huán)境。萊夫科維茨和克比爾卡 之所以被授予諾貝爾獎(jiǎng)，是因?yàn)樗麄兺黄菩缘匕l(fā)現(xiàn)并解釋了 這種受體的一個(gè)重要家族： G 蛋白偶聯(lián)受體的內(nèi)部工作機(jī) 理?！笔荏w是細(xì)胞的感覺(jué)系統(tǒng) 我們?nèi)梭w感知外界環(huán)境的系統(tǒng)被稱為

2、“感覺(jué)系統(tǒng)” ，包 括皮膚、眼睛、嘴巴、耳朵、鼻子和大腦等多個(gè)器官。而對(duì) 細(xì)胞來(lái)說(shuō)，感知外界環(huán)境的重要系統(tǒng)是名為“受體”的感受 器，它就相當(dāng)于人體的感覺(jué)系統(tǒng)。“受體”實(shí)際上是細(xì)胞表面或內(nèi)部的一種蛋白質(zhì)分子， 這種分子就像是細(xì)胞的通信員，它可以識(shí)別細(xì)胞內(nèi)外的化學(xué) 信號(hào)物質(zhì)，并與這些物質(zhì)結(jié)合在一起。這種奇妙的結(jié)合可以 激發(fā)細(xì)胞進(jìn)行“思考” ，然后啟動(dòng)一系列的生物化學(xué)反應(yīng)， 讓細(xì)胞和環(huán)境產(chǎn)生合理的互動(dòng)。比如，細(xì)胞可以抵御來(lái)自環(huán) 境中的有害化學(xué)物質(zhì)，細(xì)胞也可以從環(huán)境中吸收到有利于自 己的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。我們可以把“受體”看作是細(xì)胞信息之門(mén)上的一把鎖， 它被打開(kāi)之后就可以引發(fā)一系列的化學(xué)反應(yīng)，從而把環(huán)境信 息

3、傳遞給細(xì)胞。打開(kāi)這把鎖的鑰匙有許多種類(lèi)，比如激素、 神經(jīng)遞質(zhì)和一些神經(jīng)信號(hào)，這些鑰匙都可以把這把鎖打開(kāi)。 打開(kāi)之后身體細(xì)胞里面就會(huì)引發(fā)很多很多的變化，最終會(huì)導(dǎo) 致一些基因的表達(dá)。表現(xiàn)在我們身體上面就是我們一些身體 機(jī)能的反應(yīng)，比如說(shuō)心跳加快、血壓升高等都會(huì)被受體這把 鎖控制。人體內(nèi)的細(xì)胞生活在一個(gè)液態(tài)的環(huán)境中，各種各樣的細(xì) 胞液包圍著細(xì)胞。在這個(gè)看似簡(jiǎn)單的環(huán)境中，來(lái)來(lái)往往的化 學(xué)物質(zhì)每時(shí)每刻都有所變化。隨著人體的變化，比如所在的 地點(diǎn)、時(shí)間和情緒的變化，體內(nèi)的液態(tài)環(huán)境每時(shí)每刻都在不 斷變化著。為何受體有這么大的本事，可以讓細(xì)胞感知到復(fù) 雜的液態(tài)環(huán)境呢？這就是生物化學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)要解決的 難題之

4、一。 2012 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的兩位獲得者則選擇 G 蛋 白偶聯(lián)受體作為研究對(duì)象，弄清了受體是如何讓細(xì)胞感知環(huán) 境的。龐大的受體家族 萊夫科維茨和克比爾卡來(lái)自美國(guó)的同一研究小組。早在44 年前，也就是 1968 年，當(dāng)時(shí)只有 25歲的萊夫科維茨就開(kāi) 始利用放射學(xué)的方法來(lái)追蹤細(xì)胞受體。他將碘的放射性同位 素附著到各種激素上，被標(biāo)記過(guò)的激素結(jié)合到細(xì)胞表面，通 過(guò)追蹤同位素的放射性，就能找到該激素的受體。結(jié)果，他 用儀器探測(cè)到激素和一些受體的結(jié)合過(guò)程，其中一種受體是 B -腎上腺素受體。他想辦法把這種受體從細(xì)胞膜的隱蔽處提 取出來(lái)，并對(duì)其工作原理有了初步認(rèn)識(shí)。由于受體是一種蛋白質(zhì)分子，它的形成就必然

5、受到基因 的控制。那么，究竟是什么基因在控制 B-腎上腺素受體呢？ 萊夫科維茨希望能從浩瀚的人類(lèi)基因組中把這種隱秘的基 因找出來(lái)。 1984 年，正在攻讀博士的克比爾卡加入到萊夫科 維茨的研究團(tuán)隊(duì)。那年，克比爾卡只有29 歲?？吮葼柨ㄆ鸪醪⑽达@露出杰出的科研才能，幾乎沒(méi)有什 么醒目的成績(jī)。兩年后的一天，克比爾卡一大早就沖進(jìn)實(shí)驗(yàn) 室，向萊夫科維茨提出要獨(dú)立承擔(dān)克隆 B -腎上腺素受體的研 究課題。而這個(gè)課題是萊夫科維茨在前一天剛剛提出來(lái)的。 看到克比爾卡身上的專注和堅(jiān)持，萊夫科維茨把這個(gè)重任交 給了他。那個(gè)年代，要想從浩瀚的人類(lèi)基因組中找出一個(gè)特 定的基因序列，堪比大海撈針?？吮葼柨ㄓ闷D苦卓絕的

6、工作 證明了老師的選擇沒(méi)有錯(cuò)， 他最終找出了 B -腎上腺素受體的 基因序列。在分析B -腎上腺素受體基因的過(guò)程中， 克比爾卡發(fā)現(xiàn)有 一些與這個(gè)基因類(lèi)似的另一些基因，它們也控制著多個(gè)受 體，比如視網(wǎng)膜上捕獲光感的受體，還有在味蕾上幫助我們 感知味道的受體。結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)龐大的受體家族，這 就是 G 蛋白偶聯(lián)受體。 從 20世紀(jì) 80年代以來(lái)， 越來(lái)越多的 受體被歸入這個(gè)家族。目前，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn) G 蛋白偶聯(lián)受體家族有 1000多 個(gè)成員。它們都是膜蛋白，由 1000 多個(gè)基因進(jìn)行編碼。這 些受體的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，調(diào)控起來(lái)相當(dāng)困難，加之它們?cè)诩?xì) 胞中的含量并不多，研究起來(lái)具有相當(dāng)?shù)碾y度。然而

7、，對(duì)這 類(lèi)受體的研究卻是十分重要的，因?yàn)槿梭w生理代謝大多與這 類(lèi)受體有關(guān)。給受體拍攝三維圖像 到目前為止，科學(xué)家只在較為高等的真核生物中發(fā)現(xiàn)了 G 蛋白偶聯(lián)受體，而且發(fā)現(xiàn)它參與了很多細(xì)胞信號(hào)的傳輸過(guò) 程。在這些過(guò)程中， G 蛋白偶聯(lián)受體能結(jié)合細(xì)胞周?chē)h(huán)境中 的化學(xué)物質(zhì)并激活細(xì)胞內(nèi)的一系列信號(hào)通路，最終引起細(xì)胞 狀態(tài)的改變，讓細(xì)胞有效地感知環(huán)境并作出相應(yīng)的反應(yīng)。成功發(fā)現(xiàn)B -腎上腺素受體的基因后，克比爾卡進(jìn)入美國(guó) 斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院。他決定繪制一張受體蛋白的三維圖像。 當(dāng)時(shí)，這在諸多科學(xué)家的眼中被視為不可能完成的任務(wù)。因 為，和其他種類(lèi)的蛋白質(zhì)相比，受體蛋白不太溶于水，很難 結(jié)晶，這就難以利用 X

8、 射線拍攝它們的三維圖像。通過(guò)多年研究、嘗試，克比爾卡發(fā)現(xiàn)，往這些受體中引 入一些小的有機(jī)基團(tuán)，就能夠成功地讓受體蛋白結(jié)晶，這也 就解決了無(wú)法利用 X 射線拍攝三維圖像的難題。 2011 年，在 我國(guó)蘇州召開(kāi)的學(xué)術(shù)會(huì)議上，克比爾卡宣布，他和研究團(tuán)隊(duì) 在精確的時(shí)刻在 B -腎上腺素受體被激素激活并向細(xì)胞 發(fā)送信號(hào)時(shí)，獲得了 B -腎上腺素受體的三維圖像。 這一圖像 是研究“細(xì)胞感受”的一項(xiàng)杰作，可謂幾十年辛苦研究的成 果。不少新藥以受體為目標(biāo) 受體作為一種蛋白質(zhì)，具有抗原性。人體通過(guò)自身免疫 機(jī)制，可以產(chǎn)生抗受體的抗體。受體研究是從分子水平來(lái)闡 明激素、 遞質(zhì)、藥物、抗體的作用機(jī)制及生理和病理過(guò)

9、程的， 因此，它已成為科學(xué)技術(shù)的前沿陣地之一。目前，受體在人 類(lèi)健康中的作用已經(jīng)受到越來(lái)越多的重視，在臨床醫(yī)學(xué)中也 得到了廣泛應(yīng)用。如果體內(nèi)的受體出現(xiàn)故障，就會(huì)患上受體 病，通常受體病是受體的數(shù)量和質(zhì)量發(fā)生異常改變而引起 的。在細(xì)胞的所有受體中， G 蛋白偶聯(lián)受體特別重要，因?yàn)?它們控制著人體對(duì)光、氣味、味道的感知，也調(diào)節(jié)著人體內(nèi) 腎上腺素、多巴胺以及復(fù)合胺等多種化學(xué)物質(zhì)的代謝。如果 人體的 G 蛋白偶聯(lián)受體出現(xiàn)異常， 則人體對(duì)世界的感知就不 正常，人體就會(huì)出現(xiàn)相關(guān)的疾病癥狀。因此， G 蛋白偶聯(lián)受 體在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的地位也很突出， 大約 40%的現(xiàn)代藥物都以 G 蛋白偶聯(lián)受體作為靶點(diǎn)（即藥物作

10、用的目標(biāo)） 。受體也是人體的感受器 受體不但是細(xì)胞的感受器，更是我們?nèi)梭w的感受器。一 位評(píng)選委員會(huì)評(píng)委在解釋這個(gè)問(wèn)題時(shí)，舉起了一杯熱咖啡。 他說(shuō)，人們能看到這杯咖啡，聞到咖啡的香味，品嘗到咖啡 的美味，喝下咖啡后心情愉悅，諸如此類(lèi)的感受都離不開(kāi)受 體的作用。人體的感受和細(xì)胞的感受是怎樣聯(lián)系到一起的呢？舉 個(gè)例子來(lái)說(shuō)， 當(dāng)我們遇到突發(fā)情況， 腎上腺會(huì)分泌腎上腺素， 這種激素進(jìn)入血液中，會(huì)產(chǎn)生全身性的效應(yīng)眼睛瞳孔放 大，心跳和呼吸加快，四肢肌肉的血流增加，所有細(xì)胞通力 配合，為逃命作準(zhǔn)備。那么，腎上腺素又是怎樣調(diào)動(dòng)全身細(xì) 胞的呢？那就是通過(guò)全身細(xì)胞內(nèi)的受體。由此我們不難發(fā) 現(xiàn)，其實(shí)細(xì)胞感知環(huán)境和人體感知世界是息息相關(guān)的。沒(méi)有 細(xì)胞感知內(nèi)部環(huán)境的變化，我們?nèi)梭w也難以感受外部世界的 變化。我們的感受誰(shuí)知道？答案是：構(gòu)成我們身體的細(xì)胞。細(xì) 胞的感受誰(shuí)知道？我們現(xiàn)在已經(jīng)知道答案是：細(xì)胞中的受 體。包括 2012 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)兩名獲得者在內(nèi)的眾多科學(xué) 家發(fā)現(xiàn)了受體的作用，為我們揭開(kāi)了人類(lèi)感覺(jué)之謎。他們的 研究成果為開(kāi)發(fā)相關(guān)藥物提供了理論基礎(chǔ)。正是有了這些科學(xué)家的辛勤研究，人類(lèi)的健康才有了越來(lái)越多的有力保障2012 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)吆?jiǎn)介羅伯特 ?萊夫科維茨