GLP-1大热？2024年可能的诺贝尔生理学或医学奖

图源：Osama Shukir Muhammed Amin FRCP(Glasg), CC BY-SA 4.0 , via Wikimedia Commons

编者按：

一年一度的诺贝尔奖即将在今天下午开始揭晓。《赛先生》特邀对诺贝尔奖和生物医学史有深入研究的徐亦迅博士，介绍三组值得诺贝尔奖的工作，以及这些工作的主要完成人和主要贡献。

你认为今年的诺贝尔生理学或医学奖将颁给哪些科学家？欢迎留言说明你的理由。

对于预测正确的读者，《赛先生》将随机选出五位，赠送2023年诺贝尔生理学或医学奖得主卡塔琳·考里科 （Katalin Karikó） 的最新个人传纪《突破》一本。赠书由译林出版社友情提供，特此感谢。

1.阐明未折叠蛋白反应的分子机理

可能得奖人：Peter Walter和 Kazutoshi Mori (森和俊)

主要贡献：通过多年的研究阐明了未折叠蛋白反应 (unfolded protein response, UPR) 这一重要的细胞内蛋白质量监控机制。UPR通路能够检测在内质网腔中具有细胞毒性的未折叠或错误折叠的蛋白质，传递信号到细胞核以启动一系列纠正措施。

Peter Walter（左）和 Kazutoshi Mori（右）。图源：维基百科、https://kuias.kyoto-u.ac.jp/e/profile/kmori/

对细胞功能非常重要的分泌蛋白和质膜蛋白，都是在内质网中进行折叠和翻译后修饰。多家实验室在1980年代发现：当错误折叠蛋白在内质网腔中累积时,会刺激分子伴侣BiP (又名GRP78或HSPA5) 基因的转录。大量表达的BiP蛋白与错误折叠的蛋白结合，并利用ATP为能量帮助它们完成正确的折叠。彼时一个重要的未解之谜是：细胞核如何感应累积在内质网腔的错误折叠蛋白？1992年, 美国西南医学中心Mary-Jane Gething实验室的博士后Mori 在BiP 基因上游鉴定到一小段调控序列，命名为UPRE (unfolded protein response element) 。

在发现UPRE的基础上, 美国加州大学旧金山分校 (UCSF) 的Walter实验室和Mori不约而同地运用了酵母遗传筛选技术，分别独立找到内质网和细胞核间传递UPR信号的第一个分子：横跨内质网膜的蛋白Ire1，它能通过其内质网腔感应错误折叠蛋白的累积。

1996年，完成博士后训练回到日本建立实验室的Mori与Walter实验室保持激烈的竞争，又几乎同时发现UPR通路中第二个重要分子：Hac1是一种在UPR条件下，直接上调BiP基因表达的转录因子。Walter实验室又发现，Hac1蛋白只有当错误折叠蛋白在内质网腔中累积时才能被检测到。

在1996年背靠背的第二篇Cell论文中，Walter实验室展示了出人意料的新发现：被BiP 释放的Ire1会形成二聚体, 刺激其细胞质部分的激酶结构域相互磷酸化，从而变构激活Ire1的核糖核酸酶 (RNase) 结构域。Ire1的核糖核酸酶活性再与名为Rlg1的tRNA 连接酶协同，在细胞质中将Hac1前体mRNA 剪接为可以被核糖体翻译的活性形式。这是一种全新的信号传递形式，并打破了前体mRNA的剪接只能在细胞核内进行的传统观念。

Walter和Mori两家实验室通过二十多年研究，阐明了酵母细胞中由Ire1介导的UPR通路 (图1) 。在他们的成功指引下，其他实验室先后在高等真核生物中发现另外两条分别由ATF6和PERK介导的UPR通路。这三条UPR通路与多种疾病的进程密切相关，通过新药对它们的精准干预有望带来新的治疗方式。

图1：Walter和Mori两家实验室通过二十多年研究阐明的酵母细胞Ire1未折叠蛋白反应通路 [Nicchitta, C.V. (2009) Nature 457 : 668 - 669]

2.发现光敏蛋白和发明光遗传学技术

可能得奖人：Peter Hegemann, Karl Deisseroth 和 Gero Miesenböck

主要贡献：光敏蛋白的发现促成了光遗传学这项突破性技术的诞生，让神经生物学家们可以精准地解析大脑的神经环路和复杂功能。

从左至右为：Peter Hegemann, Karl Deisseroth， Gero Miesenböck

二十世纪分子生物学的领军人物Francis Crick在1979年提出："神经科学面临的一个挑战，是如何操控大脑中某一类神经元，同时不改变其他神经元的生理功能"。Crick的卓越直觉又告诉他：最佳的操控手段很可能是通过光信号。但在很长一段时间里，科学家们并不知道如何让视网膜以外的神经元对光线做出反应。

1971年，德国生物化学家Dieter Oesterhelt发现了细菌视紫红质 (bacteriorhodopsin) 。真核生物的视紫红质 (rhodopsin) 传导光信号时与G蛋白偶联而调节cGMP门控的阳离子通道，而细菌视紫红质在吸取光子的能量后，则将质子泵出细菌而产生细胞内外的质子浓度梯度。随后当质子沿梯度从高到低回到细菌细胞内时，可以通过ATP合成酶把光能转化为化学能。从1986年开始，Oesterhelt的学生Hegemann开始研究莱茵衣藻的趋光性。经过十几年的不懈努力，Hegemann与合作者们 (主要是Georg Nagel和Ernst Bamberg) 在莱茵衣藻中先后发现了两种视紫红质通道蛋白 (channelrhodopsins,ChR) ：ChR1是一种光敏质子通道，而ChR2则是能引发很大跨膜电流的光敏阳离子通道。能被光激活的ChR2非常符合当年Crick设想的操控神经元开关手段！

在ChR2被发现前的2002年，美国纪念斯隆凯特琳癌症中心 (MSKCC) 的Miesenböck实验室同时把三个果蝇的基因——视紫红质、G蛋白的α亚基、阻遏蛋白-2 (arrestin-2) ——转入体外培养的大鼠海马神经元。他们通过光照就能直接激活这些神经元并检测到动作电位，算是实现了Crick构想的一种光遗传学 (optogenetics) 原型。由于需要同时导入三个外源基因，该技术的效率和实用性还不能令人满意。

2004年，美国斯坦福大学钱永佑教授的博士生Edward Boyden与他在Robert Malenka实验室做博后的师兄Karl Deisseroth合作，想到如果用来自衣藻的一个ChR2基因替换Miesenböck方法所用的三个基因，也许就能实现更好用的光遗传学技术。两人使用慢病毒载体将单个ChR2基因转入大鼠海马神经元，发现ChR2蛋白可以准确地表达在细胞膜上。在不添加全反式视黄醛的条件下，用蓝光照射这些神经元可以引起阳离子的流入而产生去极化效应。

图2：光遗传学技术实现了对大脑中神经元的精准时序调控 [Luo, L.(2020) Principles of Neurobiology, 2nd Edition.]

在体外培养的海马神经元取得成功后，Deisseroth团队又很快实现了体内光遗传学技术 (图2) 。近年来随着该技术的不断发展，神经系统的药物研发也迎来了新的契机。光遗传学技术的临床应用前景已经清晰可见。

3.基于GLP-1的减肥药

可能得奖人：Joel Habener, Svetlana Mojsov 和 Lotte Bjerre Knudsen

主要贡献：阐明激素GLP-1的生物学功能并开发了基于GLP-1(7-37)的新药，从而彻底改变了肥胖症的治疗策略。

从左至右为：Joel Habener, Svetlana Mojsov 和 Lotte Bjerre Knudsen。 图源：harringtondiscovery.org，Chris Taggart courtesy of The Rockefeller University，X.com

美国麻省总医院 （MGH） 的内分泌学家Habener，在1970年代建立自己的实验室后选择琵琶鱼为实验材料，致力于研究胰岛素 (insulin) 和胰高血糖素 (glucagon) 在调节血糖方面的作用机理。 （参见文章： 发现胰岛素：百年前的多伦多之夏 ）

1982年，Habener团队发现琵琶鱼的胰高血糖素由一个前体激素 (preproglucagon) 基因编码,该前体激素蛋白在肠道细胞中被以不同于胰腺细胞的翻译后加工方式，裁剪成GLP-1 (胰高血糖素样肽-1) 和GLP-2 (胰高血糖素样肽 -2) 。这种加工方式不会产生有活性的胰高血糖素 (图3) 。

图3：胰高血糖素前体蛋白在胰腺A细胞和肠道L细胞中的不同翻译后加工产物 [Koeppen, B.M. et al. (2023) Berne & Levy Physiology, 8th Edition.]

1970年代，来自前南斯拉夫的化学家Mojsov进入美国洛克菲勒大学的Bruce Merrifield实验室攻读博士。几年后她在Merrifield实验室完成了高难度的胰高血糖素化学合成。1983年，Mojsov开始在MGH担任教职，并负责内分泌科的多肽合成实验室。Mojsov在1984年决定与Habener实验室合作，验证她提出的只有切掉了N末端6个氨基酸的GLP-1(7-37)才有活性的假说。1986年，Mojsov和Habener合作的第一篇论文在Journal of Biological Chemistry上发表，这是GLP-1领域一个公认的里程碑。这项工作确立了GLP-1(1-37)只是有生物活性的GLP-1(7-37)激素的前体蛋白。两人随后又与内分泌学家Gordon Weir合作，发现在大鼠离体胰腺灌注模型中加入由Mojsov合成的GLP-1(7-37)，只需微小剂量就能大幅度提升胰岛素的分泌量。

1994年，丹麦跨国药企诺和诺德的化学家Knudsen读到了Mojsov和Habener于1992年发表的GLP-1(7-37)用于治疗糖尿病的论文。她深信如果能把GLP-1(7-37)开发成药，不仅可以为糖尿病增添一个新的疗法，还有可能取得治疗肥胖症的突破。Knudsen在说服领导把GLP-1立项后发现，GLP-1(7-37)在体内由于半衰期只有几分钟而成药性较差。经过两年时间的摸索，Knudsen精心设计了一个通过融合分子延长多肽半衰期的策略：把GLP-1(7-37)中的赖氨酸与一个棕榈酰脂肪酸分子共价结合，产生的新分子能够与白蛋白结合，从而延缓其被DPP4蛋白酶降解，并降低在肾脏的清除率。但是最初的融合分子由于水溶性低而在层析提纯中遭遇了巨大困难，在新招的药物化学家和实验员的帮助下，通过在脂肪酸链和GLP-1(7-37)之间添加了γ-谷氨酰连接子 （linker） 而解决了难题。重新设计的分子不仅水溶性高而容易纯化，对白蛋白也有更高的亲和力，半衰期被提升至11到15小时！这就是后来获批治疗糖尿病和肥胖症的利拉鲁肽 (liraglutide，图4) 。

图4：GLP-1(7-37)以及诺和诺德公司通过药物化学改良成皮下注射减肥药的利拉鲁肽(每天一次)和司美格鲁肽(每周一次) [Friedman, J.M. (2024) PNAS 121 : e2415550121]

利拉鲁肽虽然能让大多数肥胖病人平均减重5%以上，但该药需要每天一次的皮下注射，使用起来还是不够方便。Knudsen团队决心再接再厉，又先后筛选了数以千计的组合:置换单个氨基酸、不同的脂肪酸链、不同的连接子，最终研制出半衰期长达7.5天的司美格鲁肽 (semaglutide，图4) 。2021年6月，美国FDA批准诺和诺德的新一代减肥药上市：每周皮下注射一次的司美格鲁肽。从此以后，基于GLP-1的减肥药持续成为各大媒体的热门话题，一直占据着新闻焦点。