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2012年的諾貝爾化學獎頒給了羅伯特．萊夫科維茲（Robert Lefkowitz）與布萊恩．克比爾卡（Brian Kobilka）兩位美國科學家，以獎勵他們對「G蛋白偶合受體」（G protein-coupled receptors, GPCRs）研究的貢獻。這兩位科學家均為心臟科醫師，憑藉著本身的專業，他們很早就認知腎上腺素是心臟血管生理調控之關鍵荷爾蒙（亦稱激素）。然而，當時人類對於如何將腎上腺素訊息傳入細胞之機制尚未確定，藥物如何作用、細胞如何反應均尚未清楚，故他們選擇以現代分子生物學之方法，試圖釐清荷爾蒙影響心臟血管之細胞訊息機理。

三十多年間斷斷續續，人們對GPCRs之認識有如穿越時光隧道，從完全不知其生化特性，至今天解析「藥物–受體–G蛋白活化」之三元複合體晶體結構。如此進展，彷彿已能目視荷爾蒙訊息自細胞外一步一步經過GPCRs傳入細胞內，從僅僅活化G蛋白（G protein）及環單磷酸腺（cyclic adenosine monophosphate, cAMP），到今日展示GPCRs如何參與一系列訊息蛋白激酶之調控；使我們如同挖到一個標靶藥物研發金礦，將大大地提昇日後生命健康品質。

萊夫科維茲可謂是GPCRs訊息傳遞之父，而克比爾卡自從30歲踏入萊夫科維茲實驗室起便立志解析藥物–受體– G蛋白活化之三元複合體晶體結構。經由不斷地回應各個挑戰，堅忍不拔的渡過事業低潮，三十多年來艱苦工作所累積之成果，有如萬丈高樓平地起，不但使我們日後健康更有保障，其執著與熱誠，更值得當代科學研究者尊敬傚法。

2012年諾貝爾化學獎兩位得獎者

GPCRs所扮演的角色

GPCRs 的作用，影響我們體內每一個細胞。從鼻子、眼睛、心臟、血管，至腦中樞神經細胞，功能上從視、嗅、味覺，以及血壓、心跳至行為與心智活動， 均有GPCRs之參與。雖然，和GPCRs有關之藥物在今日市場占約百分之40~50％，可說是與人類息息相關、和生活如影隨行，然而一般人對其所知卻相當有限，就如同乙型腎上腺素受體藥物——瘦肉精，在我們社會爭論了好一陣子。

每一個細胞，內外均被由雙層磷脂質所構成的細胞膜隔離。這層細胞膜的主要功能在於維持細胞內部生化環境之恆定，而不必要或有害之物質則被隔絕於細胞外。不過，許多細胞之生化運作需受細胞外在環境所調控，而胞膜表面的「受體」，即擔當了細胞接受外界訊息之第一線角色。尤其細胞和細胞間的聯繫互動，以及感覺外部環境，乃是基本生命現象之一；故細胞之訊息由外傳到內，與細胞內生化訊息之產生，時時刻刻都在進行著。當上游發號司令，釋放訊息之細胞便分泌化學物質，將指令傳遞給收受訊息之下游細胞。位在下游細胞膜表面，能與這些化學物質結合的受體，即為細胞接受這些外來指令的第一線工作站。當受體和訊息分子結合後，即會引發特定系列之生化反應，由此改變細胞生理，達到訊息傳遞之目的。

1960~1980年代，科學家發現許多荷爾蒙、神經激素會透過胞膜表面受體調控胞膜內G蛋白的活性，而在胞內產生第二訊息，催化下游一系列細胞生化反應，這些受體即為GPCRs（圖一）。因為發現G蛋白和提出GPCRs的概念，美國的吉爾曼（Alfred Gilman）和羅德貝爾（Martin Rodbell）獲1994年諾貝爾生醫獎。

圖一：荷爾蒙透過胞膜表面受體，調控胞膜內G 蛋白活性，接著開啟一系列反應，引起細胞代謝改變。（圖片來源：諾貝爾獎官方網站）

GPCRs是800多種受體之統稱，它位於細胞膜上，單一多胜鏈由七個穿越胞膜親酯性多胜α螺旋鏈組成，故又稱為7TM受體（7 tansmembrane）。它們幾乎參與了每項生理功能。GPCRs 為胞膜表面接受胞外訊息，將之催化為胞內生化訊息之主要受體。小自真核單細胞之互相傳遞訊息，大至高等生物心智活動之神經訊息傳遞，GPCRs 均存於前線。在哺乳類中， GPCRs遍布於體內不同細胞組織中，讓身體回應各種荷爾蒙及外在環境等各式化學訊息。不但使細胞感覺外在之環境，更使各個不同的細胞能夠互相溝通、組成細胞團隊，完成個體之特定生理功能。

分布在感覺細胞如眼、鼻、舌之GPCRs 能讓我們感覺光、氣味及味道；分布於心臟血管者則負責調控血壓、心跳及血流；分布在腦神經細胞的GPCRs 執行我們思想及心智之運作。GPCRs 可偵測之化學、物理訊息，包括費洛蒙、荷爾蒙、胜肽、大型蛋白質、氣味、神經傳導物質，電磁波其他訊息分子等。這些物理化學訊息會與GPCRs 緊密結合，然後活化細胞內的G蛋白，進而誘發影響知覺、行為、心跳、血壓、血糖等等基礎功能。如果這些訊息傳導途徑出現功能異常，則會導致各種生理及心理疾病，包括糖尿病、心血管病變、憂鬱症、視覺障礙、氣喘及部份特定癌症。目前市面上的藥物，約有四成是針對它而設計。

GPCRs分離純化及基因選殖

雖然人類在1960 年代，發現胞膜表面普遍存在接受胞外訊息分子，調控細胞內G蛋白活性之受體，並且了解GPCRs 主宰胞外訊息傳遞至胞內之關鍵步驟， 但GPCRs之分子結構、此受體如何識別各種不同之訊息分子、如何調控下游之G 蛋白……等問題相繼產生。在1970 年代，欲了解受體之分子結構及功能，最簡單的方法是將受體自細胞膜上純化分離。然而，若以生物化學的方法純化分離受體分子，至少有兩項技術瓶頸必須克服。

首先，必須有精準的受體分子定量檢測技術。其次，得將受體分子自原本的細胞膜中溶解出來，進一步利用合成之磷脂雙層膜取代原本之細胞膜。這兩種純化分離受體分子之技術，在那時均尚未建立。當年25歲的萊夫科維茲，是一個年輕的心臟科醫師。雖然，已知對心臟血管而言，腎上腺素是種強效荷爾蒙，而在心血管細胞表面也必定存有一種荷爾蒙接受器，故當荷爾蒙和該接受器結合後能引起心跳加快、血壓上升；但是在當時卻沒有人能夠告訴他，這個接受器之分子構造，以及它如何將荷爾蒙之結合轉化為細胞之生理反應。故萊夫科維茲於上世紀60年代末期，開始在杜克大學醫學院的實驗室中，從事對G蛋白具有調控型腎上腺素受體定量，與細胞訊息傳遞之生化研究。

首先，他發展出利用碘125同位素標示的「乙型腎上腺素配體」和受體做競爭結合的方法，精準地定量受體在胞膜表面的濃度，以及配體和受體之親合力。他運用此法，發現了許多乙型腎上腺素藥物的藥效和其對受體親合力成正比——親合力愈高藥效愈強。更進一步，他的研究團隊利用此一受體活性技術及特定之界面活性劑，在受體純化過程中追蹤受體對同位素標示配體的這結合活性，成功地自細胞膜上經過百萬倍之分離純化，得到高純度之乙型腎上腺素受體蛋白分子。

這樣的純化過程，確實非常艱辛。畢竟從數十克之細胞膜中，僅能純化出幾十亳克之受體蛋白。萊夫科維茲及他的團隊花了十年苦工，建立用於受體純化之親合性色層分析。在研究受體的純化過程中，他奠定了自動物細胞膜表面純化GPCRs 之準則；同位素標示之配體及特定之界面活性劑，給予了日後從事GPCRs 研究工作者既定方法。

有了高純度之受體蛋白，他們可進行受體胺基酸排列序之鑑定。根據部分純化受體之胺基酸序列，萊夫科維茲團隊設計出受體cDNA（Complementary DNA ，互補DNA）片段，運用此cDNA片段，他們自體基因庫中取得了腎上腺素受體之cDNA 。根據此一cDNA核酸序列轉譯，得到受體胺基酸序列。

此單胜鏈，穿過細胞膜七次。穿越膜之部分，為七個親脂性序列，在胞內及胞外各有三個由極性胺基酸序列組成的區塊（圖二）。

圖二：G 蛋白偶合受體之結構示意圖。

他們發現，所得到之腎上腺素受體，與人體中的另一個受體的胺基酸序列非常的相似。這個受體，便是人類視網膜上的視紫質（rhodopsin）光受體。因此，他們意識到，必定存在著看起來相似且功能模式相同的受體家族。

大約此時，年僅30歲的年輕心臟科醫師克比爾卡初加入了萊夫科維茲團隊。雖然沒有經過正式之分子生物學相關訓練，但他對於GPCRs結構功能之解析卻有著強烈之企圖心。過去他曾會同杜克大學生化所之研究人員，在李察遜（Jean Richarson）之結構實驗室模擬GPCRs 之結構功能關係。由於當時發現，腎上腺素受體之基因沒有基因內區插入子（intron），可以直接自體基因庫中取得不同GPCRs之cDNA，有鑒於此，克比爾卡便建立了不同種動物之體基因庫，將整個腎上腺素受體家族轉殖出來。

雖然，腎上腺素受體在體內均被腎上腺素或副腎上腺素活化，但其不同型受體，卻分別活化不同之G蛋白。甲型腎上腺素受體通常活化Gi（抑制性G蛋白），使得細胞內cAMP之量降低；而乙型腎上腺素受體則活化Gs（刺激性G 蛋白），使胞內之cAMP量增加。

除了腎上腺素外，尚有許多甲型及乙型腎上腺素受體專一性之合成藥物，可用於區分不同之腎上腺素受體。克比爾卡手頭上有各型之腎上腺素受體cDNA加上各型專一性之受體藥物，他用基因交換工程方法作成不同組合的甲型乙型雜混受體，測試比較這批雜混受體之藥物專一性及其對胞內G蛋活化之專一性。這一系列之實驗結果顯示，受體在胞膜表面外側之穿膜螺旋鏈（TM）和藥物結合有關，胞膜內側第五穿膜螺旋鏈（TM5）及第六穿膜螺旋鏈（TM6）之間的圈塊則和G蛋白作用。……【更多內容請閱讀科學月刊第516期】