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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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[小红猪]G蛋白,细胞的隐形天线  

2013-01-17 15:22:00|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:小红猪小分队

译者:人神之间

原文:Cells and sensibility

在我们的眼睛,鼻子和嘴巴里,存在着感知光线、气味以及味道的感受器。在体内,每一个细胞也有着类似的感受器,用以接受来自激素及其它信号物质传来的信号,例如说肾上腺素、血清素、组织胺和多巴胺。随着生命的进化,细胞重复使用着相同的机理来感知它们周遭的环境:G蛋白偶联受体。但是它们在研究人员的视线中隐藏了很长一段时间。

你某天工作到很晚。伴随着天上的月光,你走在从偏远的公交车站回家的路上。突然,你听到后面响起脚步声。脚步声正在快速接近。“没什么值得担心的,”你试图告诉自己:“只是另一个在公司被压迫的可怜雇员而已。”但是突然有种毛骨悚然的感觉占据了全身。真的有人在你身后……

你往家里飞奔。当你锁上大门时,你的全身都在战栗,心脏砰砰的跳着,一边也在大口的喘息着。

当你眼睛发现那个接近的人影的那一瞬间,你整个身体都调整成了战斗模式(图1)。由大脑发出的神经信号给整个躯体了一个初始警告。脑垂体将激素释放进入血液进而激活肾上腺分泌皮质醇、肾上腺素以及去甲肾上腺素。这些物质带来了第二次警告:是时候开始飞奔啦!脂肪细胞、肌肉细胞、肝、心脏、肺以及血管都马上开始响应。血液里开始充满糖和脂肪,支气管开始扩张,心跳也开始加速——这些都是为了让你的肌肉能够获得更多的能量以及氧气。其目的是让你竭尽所能跑到最快而获得一条生路。

【图1】

在一个人体内,数以亿亿计的细胞在相互作用着。它们中大部分发育出特别的功能。有一些储存脂肪,其它一些观察虚拟的影像、产生激素或是成为肌肉组织。为了使我们能够正常运转,各个细胞协调一致就非常关键,这也就是说它们必须要能够感知周围的环境,知道它们周围都发生了些什么。因此,它们需要感受器。

细胞表面的感受器被称为受体。罗伯特·莱夫科维茨(Robert J. Lefkowitz)和布莱恩·克比尔卡(Brian K. Kobilka)就是凭借他们弄清楚了一个名为G蛋白偶联受体(GPCR)家族的工作原理而获得的2012年诺贝尔化学奖。在这个家族中,我们能够找到肾上腺素、多巴胺、血清素、光线、气味以及味道的受体。大约现在一半的药物都是作用于这些受体,包括了β—受体阻滞药、抗组胺药以及很多种精神性药物。

因此,关于GPCR的知识使人类受益良多。然而,这些受体困惑了科学家们很长一段时间。

受体——一个诡异的谜题

十九世纪末,科学家们开始研究肾上腺素对人体影响的时候,他们发现它能够加快心跳以及提升血压,同时也能使瞳孔放松。他们认为肾上腺素是作用于体内神经,因此它们麻痹了实验动物的神经系统。然而,肾上腺素依旧产生了作用。于是他们得出结论:细胞肯定有着某种受体使它们能够感受它们周围环境中的化学物质——激素、毒药以及药物。

但是当科学家们试图找寻这些受体的时候,他们四处碰壁。他们想要知道受体的形成并了解它们是如何将信号传递进细胞内部的。他们在细胞外加入肾上腺素,这会导致细胞新陈代谢发生改变,而科学家们可以检测这些细胞内的变化。每一个细胞都有一层膜:该膜由脂肪分子构成,将细胞与其所在环境隔离开来。信号是如何通过这层膜的?细胞内部是怎么知道外面发生了什么?

几十年来,人们都一直没能找出这些受体。尽管这样,科学家们仍然成功的研发出了专门针对其中一个受体而起效的药物。在1940年代,美国科学家Raymond Ahlquist 研究了不同器官对多种肾上腺素类似物的不同反应。根据实验结果,他认为应该有两种不同肾上腺素受体:一个主要是使血管中的平滑肌细胞收缩,而另外一个主要刺激心脏。他将这两种受体命名为alpha和beta。不久之后,科学家们就开发出了第一个β-受体阻滞药,这也是现在我们最常使用的心脏药物之一。

毫无疑问,这些药对细胞内部产生了作用。但是它们是如何做到这一点的仍然是一个迷。我们现在明白了为什么这些受体这么难被发现:它们数量稀少,而且大部分都嵌在细胞膜之中。二三十年过去了,就连Ahlquist都开始对他关于两类不同受体的理论感到迷茫。他写道:“对我来说,它们只是一个抽象的概念,只是用来解释观测到的组织对不同结构的化合物的反应。”

就在此时,1960年代末期,今天的诺贝尔奖获得者之一的罗伯特?莱夫科维茨走入了这些受体的历史舞台。

将受体从它们的藏身之所引诱出来

这个年轻的优等生已经准备好成为一名心脏病学家。然而,他毕业时越战正酣,于是他去美国公共卫生局服役。具体的服役地点是在国立卫生研究院,一个联邦研究机构。在那里,他面临着一个艰巨的任务:找出那些受体。

莱夫科维茨的主管已经有了一个计划。他提出将放射性的碘同位素连在一个激素上,然后,随着激素与细胞表面结合,他们就能够通过检测碘所放出的辐射来追踪受体了。更进一步,为了使他的研究更加的可信,莱夫科维茨还需要证明当激素与细胞外表面结合的时候,能够引发一个已知会在细胞内发生的反应。如果他能够成功做到这一点,那就没有人还会怀疑他真正发现了一个有生物活性的受体。

莱夫科维茨开始研究促肾上腺皮质激素,该激素能够刺激肾上腺生产肾上腺素。但似乎没什么进展。一年过去了,他依然没有任何进展。莱夫科维茨本来从一开始就并没有想过要献身于科研,他开始感到绝望。他继续着他的研究,但是梦想着能成为一名医生。

当该项目进行到第二年时,莱夫科维茨终于有了一些进展。1970年,他在两个顶尖的期刊,《美国化学会会刊》以及《科学》上发表了论文,描述了关于一个活性受体的发现。这个成功让他开始欣赏科研中的紧张感,随后他就被招入了位于北卡罗来纳的杜克大学。这并不是因为他特别想要搬去那个地方,而是因为他们给了他一个难以拒绝的条件。

在崭新的实验室中,莱夫科维茨组建了他自己的研究队伍。尽管看上去似乎他永远也不可能成为一名心脏病学家了,但他依然想做与心脏病相关的工作。因此,他开始关注于肾上腺素及去甲肾上腺素的受体,也就是肾上腺能受体。使用放射性同位素标记的物质,包括β-受体阻滞药,他的研究团队研究了这些受体是如何工作的。随着工具箱进一步的完善,他们使用高超的技巧成功的将一系列的受体从生物组织中提取了出来。

与此同时,关于细胞内部究竟发生了什么的知识也在不断的成长。研究者们发现了一个被他们称作G蛋白(1994年诺贝尔生理学及医学奖)的蛋白质,该蛋白在收到来自受体的信号后会被激活。G蛋白随后能引发一连串的反应,最终改变细胞的新陈代谢。在1980年代初,科学家们就开始了解信号是如何从细胞外传到细胞内的整个过程(图2)。

【图2】

基因——新看法的钥匙

在1980年代,莱夫科维茨决定让他的研究团队试着去找到编码β-受体的基因。这个决定对于今年的诺贝尔奖至关重要。一个基因就像是一个蓝图。它包含了一段编码,当细胞把氨基酸连接起来组成蛋白质时就会依据这个编码,对受体来说也是如此。该想法是如果研究团队能够分离出基因并且读出构建β-受体的蓝图,他们应该就可以得到一些关于这些受体是如何工作的线索。

在差不多相同的时间,莱夫科维茨招了一个年轻的博士,布莱恩?克比尔卡。他对于肾上腺能受体的热衷来自于他在医院重症监护时的体验。一针肾上腺素可能就是生或死的区别。该激素能够导致一个膨胀的呼吸系统并加快心跳。克比尔卡希望能够从最小的分子细节上去研究肾上腺素的能力,因此他开始与莱夫科维茨及其团队中的研究者们接触。

克比尔卡参与了对β-受体基因的围捕。然而,在1980年代,尝试在人体整个庞大的基因组中找到一个特定的基因无异于大海捞针;这个技术上很有挑战的项目进展缓慢。然而,克比尔卡的一个天才的想法使得分离该基因成为了可能。在强烈的期待之下,研究者们开始分析它的编码;结果显示该受体包含有七个长的、脂质的(疏水的)螺线形弹簧——也就是所谓的螺旋(图3)。这就告诉了科学家们很可能该受体在细胞膜中反复穿梭了七次。

【图3】

七次,这和已经在体内其它地方找到的一个有着相同螺旋形状受体的螺旋数是相同的:在眼睛里视网膜上发现的光受体视紫红质。一个想法浮现出来:尽管有着完全不同的功能,这两个受体可能是相关的么?

罗伯特?莱夫科维茨后来将这描述为一个“真正的尤里卡时刻”。他知道肾上腺能受体与视紫红质都与细胞内部的G蛋白发生作用。他也知道大约30种其它的受体也通过G蛋白起作用。结论就是:应该有一个完整的受体家族,它们看上去类似,工作原理也完全相同!

有了这个开创性的发现,整个拼图就开始一点一点的完善起来,科学家们现在已经对GPCR有了详细的了解——分子层面上他们是如何工作的以及它们受到怎样的调节。莱夫科维茨和克比尔卡一直在这整个科研长征的最前线,就在去年(本文发表于2012年,编辑注),2011年,克比尔卡和他团队中的研究者一起报告了一项发现,为他们整个工作带上了皇冠。

为肾上腺素效应成像

在成功分离出该基因之后,布莱恩?克比尔卡转去了位于加州的斯坦福大学药学院。在那里,他打算要给该受体做一张肖像——整个科学界都认为这是一个不可能完成的任务——对于克比尔卡来说,这也将是一段很长的旅程。

蛋白质成像是一个包含许多复杂步骤的过程。蛋白质对普通显微镜来说太微小了,以至于根本无法观察。因此,科学家们运用了被称为X射线晶体学的方法。他们首先长出一个晶体,蛋白质在晶体中呈对称性紧密排列,就像在冰晶中水分子的排列,或是钻石里碳原子的排列。研究者继而用X射线照射蛋白质晶体。当射线撞到蛋白上的时候,它会发生散射。根据这个衍射波纹的样式,科学家们就能够知道在原子层面上蛋白质是长什么样的了。

第一个蛋白质的晶体结构图像出现于1950年代。从那时起,科学家们使用X射线获取了数以千记的蛋白质图像。然而,这些蛋白质大多是水溶性的,因为这能促进结晶的过程。能够使位于细胞脂肪膜内的蛋白质成像的科学家寥寥无几。这些蛋白在水里的溶解性就和油在水里的溶解性一样差,而且它们倾向于形成脂肪小球。更进一步,GPCR在自然中灵活度非常高(它们通过移动来传递信号),但是在一个晶体中它们必须要保持完全静止。因此,要让它们结晶是一个不小的挑战。

克比尔卡用了20年的时间才找出一个能解决这些问题的答案。多亏了他们的恒心、创造力以及手边的分子生物学技术,克比尔卡和他的研究团队最终在2011年完成了他们的终极目标:他们获得了一副图像,图像展示的是GPCR将从细胞外部由激素带来的信息传递给存在于细胞内部的G蛋白的那一瞬间。

这幅发表于自然的图像揭示了关于GPCR的一些新的细节。例如,当该受体在G蛋白结合位点打开一个空缺时,它看上去是什么样的(图4)。此类的信息会对未来的新药研发非常有帮助。

【图4】

生命需要灵活性

人类基因组测序揭示了将近一千个编码GPCR的基因。其中大约一半是用来感受气味,属于嗅觉系统的一部分。三分之一是用来感受激素和信号物质,例如多巴胺、血清素、前列腺素、胰高血糖素以及组胺。还有一些受体用以感知进入眼睛的光线,另外一些则存在于舌头表面赋予我们味觉。还有一百多个受体对科学家们来说依然是一种挑战,因为他们对这些受体的功能还一无所知。

除了发现了受体的很多种变体以外,以莱夫科维茨和克比尔卡为代表的研究者们还发现它们是多功能的。单独一个受体就能够识别细胞外七种不同的激素。另外,在细胞内部,它们也不仅仅是与G蛋白相互作用,也与其它蛋白,例如抑制蛋白(arrestins),相互作用。因为认识到这些受体并不总是与G蛋白相偶联,科学家们开始将它们称作是七跨膜受体(7TM),这个称呼源于它们在细胞膜中穿梭七次的螺线型弹簧结构。

这些受体的数量及灵活性使其能满足生命所需要的精细调节能力。让我们回到开头在公交车站发生的那一幕。当血里充满了肾上腺素之时,不同的组织会做出不同的反应。流向消化器官的血量减少,与此同时,流向肌肉的血量增多。肾上腺素不同的效应是因为在我们身体内有至少九种与之对应的受体。有些受体引发细胞的活性,另一些则有镇定功效。

所以,当你下一次感到恐惧、品尝美食或者就是单纯的仰望星空的时候,想一想你的G蛋白偶联受体吧。没有了它们,你的细胞会为了相互矛盾的目标争斗,你的身体会变得一片混乱。

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