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　　本文围绕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”展开ღ★✿★，该奖项由上海科技大学iHuman研究所刘志杰教授领衔的研究团队获得ღ★✿★。

　　时至今日ღ★✿★，我们已经知道G蛋白偶联受体（简称GPCR）是质膜受体中最大ღ★✿★、最普遍存在的家族之一ღ★✿★。人类基因组中有约千个编码此类受体的基因ღ★✿★，调控了人类生理过程中几乎所有已知的方面ღ★✿★，例如视觉ღ★✿★、味觉和嗅觉等感官方式等ღ★✿★。也正因为如此k8凯发天生赢家一触即发ღ★✿★，目前99e热在这里只有精品k8凯发天生赢家一触即发ღ★✿★，FDA批准上市的药物中ღ★✿★，约三分之一靶向GPCRsღ★✿★，并且这一比例仍在上升ღ★✿★。

　　不难看出ღ★✿★，这一庞大ღ★✿★、多样化的受体家族是生命科学和医药领域极为重要的研究对象ღ★✿★。随着对GPCRs结构和功能的深入研究ღ★✿★，它们不仅成为药物研发的主要靶点ღ★✿★，也为我们了解人体生理学的基本原理提供了极为重要的启示ღ★✿★。

　　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ღ★✿★，但直到最近的三四十年ღ★✿★，人们才普遍接受它们的存在ღ★✿★。一个多世纪以来ღ★✿★，细胞如何感知和响应外界刺激一直是生物学中的一个关键问题ღ★✿★。跨越细胞膜并能够感知和转导信号的“受体假说”在今天看来是合乎逻辑的ღ★✿★，但是当这个想法在20世纪早期首次被英国药理学家兰利（J. N. Langley）提出时ღ★✿★，它备受争议和质疑ღ★✿★。兰利的假设指出ღ★✿★，受体结构具有两个相互关联的功能ღ★✿★：首先ღ★✿★，受体与化学物质或刺激物相互作用凯发k8国际首页登录ღ★✿★，ღ★✿★，大概率是通过特定的方式结合它们ღ★✿★；其次凯发K8官方网站ღ★✿★，ღ★✿★，受体也作用于细胞内的效应器以改变它们的功能ღ★✿★。

　　然而具有讽刺意味的是ღ★✿★，虽然兰利的假设在当时并未被学界所认同ღ★✿★，但他的学生亨利戴尔（Henry Hallett Dale）却因胆碱能神经信号传递的研究于1936年获得诺贝尔奖ღ★✿★。而现在科学家早已查明ღ★✿★，乙酰胆碱受体是镶嵌在膜上的蛋白ღ★✿★，其中毒蕈碱受体（M受体）就是一种GPCRღ★✿★。在很长一段时间里ღ★✿★，许多科学家都“旁敲侧击”地证明着受体的存在ღ★✿★，比如厄尔萨瑟兰（Earl Sutherland）ღ★✿★。

　　20世纪40年代凯发网站ღ★✿★，ღ★✿★，萨瑟兰专注于人体处于饥饿状态下的能量代谢机制研究ღ★✿★，开启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机制的实验ღ★✿★。他发现ღ★✿★，这些激素通过一种间接而复杂的机制ღ★✿★，增加了肝脏内磷酸化酶的数量ღ★✿★。直到1956年ღ★✿★，他只能在完整的肝细胞中显示肾上腺素的这种功能ღ★✿★。但是在1957年ღ★✿★，他表明这些激素可以激活肝脏匀浆中的酶ღ★✿★。

　　萨瑟兰和其同事进一步的工作表明ღ★✿★，将肝脏匀浆离心后就可以使其中的酶失活ღ★✿★，向离心后产生的上清液中添加激素也不能使酶恢复活性ღ★✿★。

　　这种因子被分离出来ღ★✿★，被后来的人鉴定为3,5-单磷酸腺苷ღ★✿★，其更加广为人知的名字是环AMP（cAMP）ღ★✿★，而那个酶也被命名为腺苷酸环化酶ღ★✿★。萨瑟兰也因为这项出色的工作获得了1971年诺贝尔生理学或医学奖ღ★✿★。萨瑟兰的工作表明肾上腺素激活一种膜酶——腺苷酸环化酶ღ★✿★，它合成cAMP（一种细胞内第二信使）ღ★✿★，通过涉及蛋白激酶的信号级联确保糖原的水解ღ★✿★。

　　于是药理学家“伪造”了受体的概念ღ★✿★。受体在当时仍被称作接受物质（Receptive Substance）ღ★✿★。其中一些受体ღ★✿★，特别是肾上腺素受体和去甲肾上腺素受体（如α-和β-肾上腺素能受体）具有明确的药理学特征ღ★✿★。然而ღ★✿★，在20世纪60年代后期ღ★✿★，受体仍没有生化实体ღ★✿★。

　　此外ღ★✿★，还有很多未与GPCR联系起来ღ★✿★，但实际上却与GPCR息息相关的科学发现ღ★✿★。比如ღ★✿★，1967年诺贝尔生理学或医学奖颁给了发现动物感光机制的科学家ღ★✿★。现在我们知道视紫红质或感光蛋白都属于GPCR家族成员ღ★✿★，但当时并未将感光系统与细胞信号转导联系起来ღ★✿★。

　　“假设”的证据已经足够充分ღ★✿★，一些科学家也开始着手寻找这些“看不见摸不着”但又客观存在的东西ღ★✿★，以证明它们的存在ღ★✿★。

　　20世纪60年代k8凯发天生赢家一触即发ღ★✿★，美国科学家马丁? 罗德贝尔（Martin Rodbell）将计算机信息加工过程与细胞信号转导过程进行类比ღ★✿★，并细化了第二信使学说ღ★✿★，提出了新的作用模型ღ★✿★，即信号传递需要三类基本元件ღ★✿★：辨别器ღ★✿★、转换器和放大器ღ★✿★。细胞膜上的受体作为辨别器ღ★✿★，而cAMP引起的下游激活则可以作为放大器ღ★✿★，二者之间的转换器即为G蛋白ღ★✿★。1980年ღ★✿★，阿尔弗雷德? 吉尔曼（Alfred G. Gilman）将G蛋白纯化ღ★✿★，发现它由αღ★✿★、βღ★✿★、γ三个亚基组成ღ★✿★，因此又称为异源三聚体G蛋白ღ★✿★。

　　他进一步阐明了G蛋白的作用机理ღ★✿★：当配体与受体结合时ღ★✿★，三聚体G蛋白解离并发生GDP与GTP的交换ღ★✿★，游离的α-GTP处于活化开启态ღ★✿★，导致其结合并激活效应器蛋白ღ★✿★，从而传递信号ღ★✿★；当α-GTP水解形成α-GDP时ღ★✿★，则处于失活关闭态ღ★✿★，终止信号传递并导致三聚体G蛋白重新组装ღ★✿★，系统恢复进入静息状态ღ★✿★。

　　吉尔曼和罗德贝尔的发现揭示了G蛋白将细胞外信号转换为细胞内信号的分子机制99e热在这里只有精品ღ★✿★，开创了细胞信号跨膜转导研究的新时代ღ★✿★。同样ღ★✿★，罗德贝尔和吉尔曼因这项出色工作获得了1994年诺贝尔生理学或医学奖ღ★✿★。自此ღ★✿★，G蛋白开始拥有姓名ღ★✿★。

　　但是ღ★✿★，作为“辨别器”的受体呢？它们当然不会被忽视ღ★✿★。与此同时ღ★✿★，还有一些优秀的科学家也在为如何“感知”和“看见”受体做着努力ღ★✿★。

　　1968到1971年间ღ★✿★，美国科学家罗伯特莱夫科维茨（Robert J. Lefkowitz）与学生和同事一起开发了放射性配体结合分析技术ღ★✿★，并采用放射性标记的方法标记了糖皮质激素和肾上腺素ღ★✿★，证明了受体独立于腺苷酸环化酶的存在ღ★✿★。通过逐步摸索受体分离的方法ღ★✿★，莱夫科维茨小组纯化了β-肾上腺素能受体ღ★✿★。

　　几年后ღ★✿★，他们把纯化后的ღ★✿★、可与肾上腺素结合的细胞表面蛋白导入不响应肾上腺素的细胞后ღ★✿★，发现细胞的表现与具有肾上腺素受体的细胞一致ღ★✿★，这项实验结果使人们真正相信了细胞表面受体的独立存在ღ★✿★。而且99e热在这里只有精品ღ★✿★，他们还利用放射性配体结合研究多种因素对受体的调节ღ★✿★，并发现了之前未知的受体亚型ღ★✿★，在此基础上发展了有关受体作用机制的理论ღ★✿★。

　　今天看来ღ★✿★，克隆基因可能是一项非常简单的任务ღ★✿★，几乎每个生化实验室都可以完成ღ★✿★。只要可以获得纯化的肾上腺素受体蛋白ღ★✿★，就可以通过序列测定获得蛋白的部分序列信息ღ★✿★，从而极大地促进对肾上腺素受体的研究ღ★✿★。但由于当时的技术限制ღ★✿★，这项工作犹如大海捞针ღ★✿★。即使在1984年视紫红质基因被成功克隆之后ღ★✿★，人们仍然没有将感光受体和激素受体联系起来ღ★✿★，而且由于激素受体表达水平极低ღ★✿★，这项工作变得尤为困难ღ★✿★。

　　1986年ღ★✿★，布莱恩?科比尔卡（Brian K. Kobilka）作为实验室研究助理ღ★✿★，加入并领导了这项工作ღ★✿★。起初ღ★✿★，这项工作非常艰难ღ★✿★，使用cDNA（反转录DNA）文库反复尝试克隆仍然无法获得正确的结果ღ★✿★。但是ღ★✿★，科比尔卡提出了一个大胆的想法ღ★✿★，尝试使用基因组文库来完成克隆任务ღ★✿★。就是在这一年ღ★✿★，莱夫科维茨实验室开创了一个里程碑ღ★✿★，成功克隆并测序分析了编码仓鼠β2-肾上腺素能受体蛋白（β2AR）的基因ღ★✿★。

　　经过对该基因序列的深入研究ღ★✿★，他们惊喜地发现β2-肾上腺素能受体蛋白与牛源视紫红质蛋白的氨基酸序列有着惊人的相似性ღ★✿★，二者都包含了七个跨膜区域ღ★✿★。莱夫科维茨和科比尔卡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ღ★✿★，这个家族可能编码着许多重要的激素受体ღ★✿★。随后不久99e热在这里只有精品ღ★✿★，毒蕈碱乙酰胆碱受体的克隆实验进一步证实了这个推论ღ★✿★。

　　在此基础上ღ★✿★，科比尔卡等人很快成功克隆了编码人类β2-肾上腺素受体蛋白的cDNAღ★✿★，还克隆了编码人类β1-肾上腺素受体ღ★✿★、人类血小板α2肾上腺素受体ღ★✿★、5-羟色胺受体以及第一个孤儿受体等一系列受体的基因ღ★✿★。这项工作所得到的信息和技术也为嗅觉受体这一超级家族的发现和克隆奠定了基础ღ★✿★，最终嗅觉受体的研究工作获得了2004年诺贝尔生理学或医学奖ღ★✿★。

　　除了成功克隆出各种不同的受体基因外ღ★✿★，科比尔卡还尝试了一项大胆的工作ღ★✿★：对肾上腺素能受体进行结晶和结构分析99e热在这里只有精品ღ★✿★。这项工作在当时看来几乎是不可能的ღ★✿★，因为GPCR蛋白丰度低ღ★✿★、难以纯化ღ★✿★，并且很不稳定ღ★✿★，这些因素决定了其结晶的难度相当大ღ★✿★。后续的故事也向我们再次证明了这一观点——随着一些新兴技术的不断发展ღ★✿★，科比尔卡用了十几年的时间才完成了这项工作ღ★✿★。

　　不过ღ★✿★，在莱夫科维茨实验室中ღ★✿★，科比尔卡也通过融合蛋白与拆分蛋白等方法ღ★✿★，探究了GPCR上能够起到关键作用的区域ღ★✿★。在斯坦福大学成立自己的实验室后ღ★✿★，他通过使用嵌合受体和定点突变体的一系列研究继续完善GPCR功能域图谱ღ★✿★，并且通过使用荧光光谱来表征激动剂结合和激活的机制ღ★✿★，这些前期工作为后续研究GPCR蛋白质结构的工作奠定了坚实的基础ღ★✿★。

　　2000年99e热在这里只有精品ღ★✿★，视紫红质的第一个高分辨率三维结构发布ღ★✿★，这一结构使人们清楚地看到了GPCR的七次跨膜结构ღ★✿★，更加直观地展示了其结构域之间的互作关系ღ★✿★。该项研究成果给科比尔卡带来了宝贵的经验ღ★✿★，他开始逐步定义这些分子纯化ღ★✿★、溶解和稳定所需的条件ღ★✿★，同时他也遭遇了危机——他的研究资金受到了威胁ღ★✿★。

　　成功虽迟但到ღ★✿★。2007年ღ★✿★，科比尔卡的研究成果迎来了爆发ღ★✿★，他通过将GPCR与抗体共结晶和在第三个胞内环中插入溶菌酶两种方法ღ★✿★，几乎同时获得了β2-肾上腺素能受体的晶体ღ★✿★，其中第二种方法不仅得益于脂立方技术的发展ღ★✿★，还与他之前从分子水平探究GPCR结构域互作的工作脱不开关系ღ★✿★。这些结果几乎在同一时间井喷式地发表在《科学》《自然》《自然-方法》等顶级期刊上ღ★✿★。

　　从此之后ღ★✿★，他的实验室和其他几个实验室在激动剂k8凯发天生赢家一触即发ღ★✿★、拮抗剂或反向激动剂存在的情况下ღ★✿★，成功地结晶了大约50个A家族GPCR结构ღ★✿★，甚至共结晶β2-肾上腺素能受体的完全活性形式k8凯发天生赢家一触即发ღ★✿★，这些工作使人们更加全面且直观地了解了GPCR的工作原理ღ★✿★。

　　因为他们的杰出工作ღ★✿★，科比尔卡和他前任“老板”莱夫科维茨共享了2012年诺贝尔化学奖ღ★✿★。其实诺贝尔奖此前曾多次颁给关于GPCR的研究ღ★✿★，其中涉及受体ღ★✿★、配体ღ★✿★、感官ღ★✿★、疾病等多个研究领域ღ★✿★，但直到这次ღ★✿★，人们对其空间结构和G蛋白的互作方式才有了清晰全面的认知ღ★✿★。

　　解析GPCR的分子结构ღ★✿★，不仅让我们从微观角度更加了解自己的生理结构ღ★✿★，还以此为依据开发新的药物靶点ღ★✿★，有着非常重要的科学与现实意义ღ★✿★。“做科研可能是99.99%的失败ღ★✿★，0.01%的成功ღ★✿★，这就意味着你要坐得起‘冷板凳’ღ★✿★，经受得住打持久战的考验ღ★✿★，有信心有定力的人才有希望ღ★✿★。”这是上海科技大学刘志杰教授常用来激励学生的话99e热在这里只有精品ღ★✿★，也是他科研工作的真实写照ღ★✿★。

　　刘志杰教授团队与其解析的大麻素受体CB1与激动剂复合物的三维结构多年来ღ★✿★，刘志杰将研究目标锁定在与重大疾病相关的GPCR上ღ★✿★，在多种精神和神经类疾病凯发k8天生赢家一触即发ღ★✿★。ღ★✿★、疼痛及炎症ღ★✿★、免疫调节类疾病等靶点上不断突破ღ★✿★、硕果累累ღ★✿★。其中一个主要方向便是系统研究大麻素受体结构与功能ღ★✿★。

　　为什么大麻素受体如此值得研究？人体有11个主要的器官系统ღ★✿★，包括循环系统ღ★✿★、呼吸系统ღ★✿★、泌尿系统等ღ★✿★，所有这些系统构成了人体ღ★✿★。此外ღ★✿★，还存在一个内源性大麻素系统（ECS）ღ★✿★，虽然大多数人几乎没了解过它ღ★✿★，但它非常重要——通过动态平衡调节身体ღ★✿★，例如身体温度不能太热或太冷ღ★✿★，血糖水平不能太高或太低等ღ★✿★。ECS系统主要涉及三个关键部分ღ★✿★：存在于细胞表面的大麻素受体ღ★✿★、激活大麻素受体的内源性大麻素ღ★✿★、分解内源性大麻素的代谢酶ღ★✿★。大麻素受体主要包括两种——两个G蛋白偶联受体分子ღ★✿★：CB1和CB2ღ★✿★。CB1在中枢神经系统中更为丰富ღ★✿★，例如ღ★✿★，当神经元过度兴奋ღ★✿★，内源性大麻素释放ღ★✿★，与CB1结合ღ★✿★，使得过度活跃的神经元安静下来ღ★✿★。

　　我们熟知的大麻中的关键成分——四氢大麻酚也是与CB1结合而起作用ღ★✿★，如果科学家能揭示其中的作用机理ღ★✿★，挖掘大麻的治疗价值就有了可能ღ★✿★。实际上已经有研究人员正在探索这项工作ღ★✿★，包括探索大麻对抗癌症带来的疼痛但产生更少的副作用ღ★✿★。近些年研究发现ღ★✿★，可治疗抑郁症的“裸盖菇素”也可能是通过CB1在起作用ღ★✿★。

　　CB2在神经系统外更丰富ღ★✿★，包括免疫系统的细胞ღ★✿★。当细菌或病毒感染引发免疫反应时ღ★✿★，免疫细胞释放“促炎分子”ღ★✿★，这些信号分子可以告诉其他免疫细胞共同加入战斗ღ★✿★。内源性大麻素也被释放ღ★✿★，向其他免疫细胞发出信号ღ★✿★，在寻求帮助的同时避免过度炎症反应ღ★✿★；在炎症结束时ღ★✿★，促使细胞和身体返回平衡状态ღ★✿★。因此99e热在这里只有精品ღ★✿★，CB2受体被认为是治疗炎症和免疫类疾病（例如疼痛ღ★✿★、风湿性关节炎ღ★✿★、自身免疫疾病等）的理想靶点ღ★✿★。

　　在过去几年中ღ★✿★，刘志杰教授及研究团队系统揭示了大麻素受体的拮抗ღ★✿★、激活及信号转导的分子机制ღ★✿★。相关研究成果分别于2016ღ★✿★、2017和2019年发表在《自然》和《细胞》杂志上ღ★✿★。2023年ღ★✿★，华甜/刘志杰团队与合作者在国际学术期刊《自然?-通讯》上发表了研究论文ღ★✿★，揭示了大麻素受体CB2在分子水平与配体结合的选择性机制ღ★✿★。该研究为靶向CB2的药物设计提供了精准模板和理论指导ღ★✿★。

　　除大麻素受体ღ★✿★，刘志杰教授团队在其他GPCR结构解析方面也取得了重要的科研成果ღ★✿★。2017年ღ★✿★，他们成功解析了糖尿病治疗的重要靶标GLP1受体与别构小分子的复合物的三维结构ღ★✿★，并揭示了其拮抗机制ღ★✿★。2023年由埃隆马斯克带火的Ozempic就是GLP1受体激动剂ღ★✿★。它本用来治疗糖尿病ღ★✿★，但人们意外发现它的“副作用”——减肥颇有效ღ★✿★。刘志杰团队的成果与这种药物的结构基础紧密相关ღ★✿★。

　　除此以外ღ★✿★，在肥胖症ღ★✿★、精神分裂症ღ★✿★、癌症等相关的GPCR受体结构及机制揭示上ღ★✿★，刘志杰团队陆续都有重要发现ღ★✿★。也因此种种重要发现ღ★✿★，刘志杰教授团队完成的“G蛋白偶联受体结构与功能的系统性研究”项目获得了2020年度上海市自然科学奖一等奖ღ★✿★。

　　值得注意的是ღ★✿★，2022年9月16日ღ★✿★，刘志杰教授团队在《科学》杂志上发表了苦味受体的冷冻电镜高分辨结构ღ★✿★，成功破解了苦味受体的神秘面纱k8凯发天生赢家一触即发ღ★✿★，这也是国际上首个发表的苦味受体结构ღ★✿★。该研究填补了T类GPCR结构的空白癌症治疗ღ★✿★，ღ★✿★，为探索苦味受体的结构和作用机制开创了新途径ღ★✿★，未来还将促进针对苦味受体的化学感知和药物候选分子的探索ღ★✿★。要知道ღ★✿★，感觉类受体的揭示长期以来都备受诺奖青睐ღ★✿★。