人体生命活动的正常运作需要细胞良好的通讯联系，特别是离不开健全的由各种化学信号，诸如激素、神经递质、生长因子和分化因子等组成的通信网络。细胞信号的研究，涉及到诠释生命的本质、疾病的发生及防治等一系列重大生命科学问题。

    早在20世纪40年代，美国生物化学家萨瑟兰（E.W.Sutherland）与科里（C.F.Cori）共同研究肾上腺素引起肝糖原分解的效应时，发现这个过程同时也伴随有磷酸化酶活性显著增加。以后萨瑟兰和拉尔（T.W.Rall）等在一系列工作中发现，磷酸化酶的活化需要一种蛋白激酶（磷酸化酶激酶）催化，但肾上腺素并不能直接激活此酶，而是在激素作用下细胞内形成一种耐热的小分子物质使此激酶活化。以后证明这种神秘 的小分子物质为环腺苷酸（cAMP）。1958年，萨瑟兰等报道了这一发现，以后他们又发现肝细胞中存在一种腺苷酸环化酶，细胞内即形成（cAMP)，从而使磷酸化酶激酶活化而引起一系列酶促反应，导致糖原分解。以后还发现很多激素作用与各自的不同靶细胞时，均通过激活酰胺酸环化酶，形成cAMP而发挥其特有的效用。于是，萨瑟兰提出关于激素作用的“第二信使学说”，即激素作为“第一信使”将化学信息送达靶细胞，而cAMP则是“第二信使”，将此信息传至细胞内多种组织、细胞及细胞外体液中，调节细胞的生理活动和新陈代谢。萨瑟兰的第二信使说，提出了关于细胞间化学信息传递机制的一个普通法则。

    那么，cAMP是以怎样的方式来实现其调节细胞代谢生理功能的呢？打个比方，它是用什么样的“令牌”来下达指令的呢？美国华盛顿大学医学院的两位生理学家克雷布斯（E.G.Krebs）和费希尔（E.H.Fisher）圆满地回答了这一问题，从而破译出第二信使的令牌，他们也因此共获了1992年诺贝尔生理学医学奖。

    克雷布斯1918年6月6日生于美国艾奥瓦州的兰兴，1940年获得伊利诺伊大学医学博士学位。费希尔1920年4月6日出生于中国上海一个瑞士人家庭，早年在日内瓦上学，1953年定居美国。50年代初期，这两位生物化学家共同执教于华盛顿大学。费希尔主要从事植物酶的研究，克雷布斯则主要进行哺乳动物肌肉新陈代谢的研究。50年代后期，他们把研究重点集中到“cAMP是怎样实现其生理功能”这一课题上。

    克雷布斯和费希尔首先发现磷酸化酶在从高能化合物——ATP处获得无机磷后，由非活性转化为活性状态。如果该酶去磷酸化后，即蛋白质分子失去与其共价结合的无机磷后，酶的活性又消失。正如细胞内其他所有生物化学反应一样，蛋白质的可逆磷酸化学反应也是由酶来调控的。1958年，他们在一种特殊的肌肉组织里提纯并鉴定出负责蛋白质磷酸化的第一种蛋白激酶——cAMP依赖性激酶Ⅰ。这种酶通过两个途径使肌肉组织内的糖原分解，从而获得能量：一是使合成酶失活，二是连锁传递激活磷酸化酶和糖原磷酸化酶。他们经过进一步研究证实：凡有cAMP存在的细胞中都有一类能催化蛋白磷酸化反应的酶，他们称之为蛋白激酶；cAPM作为第二信使，它的生理作用通过蛋白激酶来实现；由于不同细胞蛋白激酶的种类及其所要求的底物各不相同，因此同一种cAMP可以产生不同的生理效应；cMAPD的直接作用是使细胞内不活动状态的蛋白激酶转变为激活状态，再引起底物蛋白质磷酸化等一系列酶促反应，以进行基因表达、细胞分化等生理效应；蛋白激酶由调节亚基与催化亚基组成，通常它的酶活力是潜隐的，cAMP与调节亚基结合后，解除了调节亚基对催化亚基的抑制，使催化亚基游离而活化，蛋白激酶就是显示出活性，从而发挥一系列生理作用；蛋白激酶催化蛋白质磷酸化学反应的过程，称为蛋白质磷酸化。

    细胞内每时每刻进行着成千上万的生物化学过程，细胞又能够迅速对细胞内环境和外界刺激产生响应，这些构成都是一个复杂的调控机制，大多数是直接或间接地由蛋白质构象变化介导的，而蛋白质本身构象的变化则是由变购效应或各种修饰来实现的，如二硫键的配对，蛋白水解酶的加工。蛋白质可逆磷酸化则是一种最常见，也是最重要的修饰方式。蛋白质的磷酸化和磷酸化常伴随着这一蛋白质生理活性的激活和失活，因此这是一个动态的过程。蛋白质可逆磷酸化需要有两种专一的酶来协助完成，磷酸化时需要蛋白酶，而去磷酸化需磷酸酶。

    从克雷布斯和费希尔20世纪50年代发现蛋白质可逆磷酸化作用以来，特别是近10年来，这个领域爆炸性的进展证明了蛋白质可逆磷酸化作用是生物信息在细胞内传递的主要方式，是细胞代谢生长、增殖、癌变的调控中心。因此它的发现标志着分子生物学进入研究并阐明细胞内各种生命过程调控的分子机制的时代，并为防癌、治病提供战略指导，因此，克雷布斯和费希尔的发现不仅具有理论价值，而且具有深远的实践意义：

    这一发现揭示了细胞信号传递的真谛，即激素——受体——腺苷酸环化酶——cAMP——蛋白激酶这个过程。cAMP不仅准确地执行了传递激素信息的使命，而且一个激素——受体复合体可以激活数个腺苷酸环化酶分子，每个分子又可以催化许多cAMP分子的合成。因此，cAMP在传递激素作用信息时，还起着放大信息的作用。作为第一信使的激素信息通过这一过程被大大地放大了。这就是为什么极其微量的激素，就能引起细胞产生明显生理功能或代谢变化的缘故。

    这一发明探明了动脉粥样硬化的隐秘。高胆固醇血症、内皮细胞损伤及血小板粘聚等多种现象，是通过蛋白质激酶信息传递系统，激发内皮细胞基因表达，产生血小板生长因子，促进平滑肌细胞、单核细胞和弹力纤维细胞增生，并表现出脂代谢异常、脂肪积累、胶原分泌引起的。而激活的单核戏班吞噬脂肪，引起局部细胞坏死、脂肪漏出、与胶原、弹力纤维一起形成动脉粥样硬化。

    这一发现也为探索基因表达的调控铺平了道路。cAMP——蛋白激酶系统在调控基因表达中起重要作用。它主要通过两个途径完成：一促进细胞核内的组蛋白和酸性蛋白发生磷酸化，使基因去除阻遏而加速转录；二是促进胞浆中核蛋白体的蛋白质磷酸化，并激活RNA聚合酶，从而直接加速翻译过程。

   这一发现还为揭示癌症起因提供了重要线索。在癌细胞发展过程中，蛋白质磷酸化起了重要作用。一方面，由于某些癌基因的表达产物具有激酶活性，能使自身和细胞蛋白质分子中酪氨酸残基磷酸化，促进细胞异常繁殖并最终导致癌变。另一方面，这些磷酸化蛋白质通过磷酸酶的作用去磷酸化，也能促使癌细胞向正常细胞逆转。这就为人类研究癌症的发病机理及防治癌症指明了道路。

    可见，基础理论研究的成果往往能为实际造福于人类开辟广阔的应用前景。正如克雷布斯和费希尔1992年在斯德哥尔摩受奖典礼后的新闻发布会上所说，他们的发现最终将会导致产生有效的药物。费希尔说：“癌变是一个极端复杂的过程，它包含有多种互相影响的反应，因此很难想象，单独一种药物将会解决问题。但是我们一旦知道哪些反应被包括在这一过程中，我们就有希望去发现一条控制这一反应的全新道路。”而克雷布斯将他们的发现与研究和一种能在器官移植时克服遗体排斥的药物联系起来，他说：“生物体内存在上千中激酶，在今后几年内，可能有几种酶的结构将被确定，从而使我们有可能应用生物工程的方法来生产这些药物。”

    现在科学家们至少发现有50多种酶存在可逆磷酸化过程，在20世纪80年代后期克雷布斯、费希尔及其同事鉴定了另一类关键酶——蛋白磷酸酶，这类酶能催化磷蛋白去磷酸化，改变各种功能蛋白的活性和性质，从而调节细胞代谢、生长、增殖。值得指出的是蛋白磷酸酶中有一类特异催化蛋白质酪氨酸残基磷酸去磷酸化，称之为酪氨酸蛋白磷酸酶，在细胞增生、癌变的调控中具有特别重要的作用。

    蛋白质可逆磷酸化和如此众多的生命过程相联系，诸如细胞生长、组织分化、基因表达、肌肉收缩、能量利用和肿瘤转化等，可以毫不夸张地说，它几乎参与了生物“生”和“死”的全过程。蛋白质可逆磷酸化及其有关的第二信使调控、蛋白激酶的研究已成为当代生物化学、生理学、细胞生物学、分子生物学研究的一个最活跃、最吸引人的领域。

    cAMP经过一系列蛋白激酶的作用，调控蛋白质的磷酸化，把激素的信号一级级放大从而调控细胞代谢，产生一系列生理反应。那么，第一信使激素又是如何通过细胞激活第二信使cAMP和蛋白激酶的呢？这成为细胞信号跨膜传递的又一难题。当时有两种看法：一种认为受体与腺苷酸环化酶是直接耦联的，或者认为受体与腺苷酸环化酶是类似蛋白质的调节亚基和催化亚基的关系，也就是受体本身可能包含有腺苷酸环化酶。因此，只要纯化受体，看看它是否有腺苷酸环化酶的活性，就可以知道哪种看法是对的了，还可以纯化腺苷酸环化酶，看它是否具有受体功能，然而纯化膜上的蛋白质又谈何容易。

    60年代中期，正在萨瑟兰实验室做博士论文的吉尔曼（A.G.Gilman）想解决这个问题，吉尔曼1941年7月1日生于美国康涅狄格州纽黑文，1962年货耶鲁大学学士学位，1969年获凯斯西部保留地大学博士学位，他的博士论文导师就是提出第二信使学说的著名生物学家萨瑟兰。最初，吉尔曼多次试图用生物化学方法来纯化腺苷酸环化酶，但结果都失败了。正在这时，NIH的生物学家罗德贝尔（M.Rodbell）的工作启发了困境中的吉尔曼，使他改变了原来的研究思路和方法。

    罗德贝尔1925年12月21日出生于美国马里兰州的巴尔的摩，1988年去世，享年73岁。1949年获霍普金斯大学医学学士学位，1954年获西雅图华盛顿大学博士学位。60年代末，他着手细胞信号传递的研究。当时许多科学家认为，合成cAMP的酶，即腺苷酸环化酶是激素受体的一个不可分隔的部分。但是，当罗德贝尔在研究离体的脂肪细胞上激素是如何影响cAMP产生的问题时，得出了不同的结论。他发现在这些细胞上，不同的激素作用于不同的受体，但都能导致cAMP的产生，很难想象所有这些受体本身均具有腺苷酸环化酶的活性。罗德贝尔认为，该酶是细胞上一个独立的分子，并猜测在激素同受体结合时，还存在着第三个分子，他称之为“转换器”，同腺苷酸环化酶连接，并引起cAMP的合成。1970年，罗德贝尔及其研究小组发现，胰高血糖素（另一个能引起cAMP产生的激素）只有在鸟苷三磷酸（GTP）这一能量载体存在时才其作用。由于当初还没有人能够重复实验，所以大多数人都持怀疑态度。随着分析技术的提高，后来其他科学家再现了罗德贝尔的实验，学术界才承认了他的发现。耶路撒冷希伯来大学的卡斯尔（D.Cassel）和泽林格（Z.Selinger）发现，在肾上腺素同其受体结合时，GTP出现降解。因此他们推测在细胞信号传导过程中，可能也像当时已经发现的大肠杆菌蛋白质合成过程中延长因子EF-Tu和EF-G那样，需要一个以GTP高能磷酸键为能源的能量消耗步骤。

    但是GTP在腺苷酸环化酶形成过程中到底起什么作用呢？自从罗德贝尔的重大发现获得同行认可之后，吉尔曼调整了他的研究思路。此时，他对单纯纯化似乎不感兴趣了。70年代中期后，吉尔曼和他的学生罗斯（E.Ross）苦苦探索在肾上腺受体、GTP和腺苷酸环化酶之间的关系。不过在这个课题的研究方法上，吉尔曼并没有多大的改进。像他的导师萨瑟兰一样，吉尔曼认为，了解一个生物系统的最佳途径是先把它拆开，然后再把它组装在一起，即把那些和质膜结合在一起的不同蛋白质一一分离出来，然后再系统地把这些蛋白质一个个地加到人工膜上，或者一个个地从人工膜上取掉。这样一来，就能够筛选出腺苷酸环化酶形成所必需的最小组合的分子，从而鉴定GTP在这一系列活动中的作用。可是这一思路所遇到的困难仍同吉尔曼早期的工作一样，因为当时还没有在不损伤膜的前提下新宿纯化膜足分的技术。此时，美国旧金山汤姆克（Tomkn）实验室很幸运地得到了一株在遗传上发生改变的鼠白血病细胞。他们发现这个癌细胞株不能产生腺苷酸环化酶，并把它命名为cyc细胞。

    吉尔曼和罗斯立即把这个癌细胞株接受过来，他们暂时改变了原先的纯化膜蛋白的研究方法，做了一个非常精彩的实验。在实验中，最令人不可思议的是对照实验。他们很快得到了对这个令人琢磨不透的结果的解释：cyc细胞并非不产生腺苷酸环化酶，只不过他的腺苷酸环化酶失活了，腺苷酸环化酶之所以失活是因为一种激活它的细胞组分消失了。吉尔曼他们的运气真好，在去掉了腺苷酸环化酶的提取物里，这种细胞的组分仍然保留了下来，它的存在“唤醒”了cyc细胞中处于静止状态的腺苷酸环化酶。吉尔曼很快就证明，这种具有激活功能的细胞组分，本质上是由GTP刺激的一种蛋白质，他们将它命名为“G蛋白”。

    1980年，吉尔曼和他的同事们经过艰苦工作，终于把G蛋白从细胞膜中分离出来，并进行了提纯，发现G蛋白的功能像开关一样允许一定量的信号通过，从而揭示了G蛋白在细胞信号传递中的作用。

    1994年，吉尔曼和罗德贝尔“因揭开细胞传导的奥秘”而荣获了该年度的诺贝尔生理学医学奖

    自从吉尔曼等人1980年分离、纯化了第一个G蛋白以来，这一领域发展很迅速。这部分得益于新的基因克隆技术的出现，使得研究人员可以从寻找相应的基因着手，避免了分离这些G蛋白本身的艰巨工作。这些G蛋白在结构上都由三个多肽亚单位组成，分别命名为α、β、γ亚单位。基因分析揭示，有16种不同的α链、5种β链以及7种或8种伽马链，它们可以形成多种特异的组合，这有助于解释其性质和在细胞中的多样性。这些G蛋白亚单位若以所有可能的方式进行组合，就有数百种G蛋白，而这仅仅是指同膜受体结合的G蛋白。另外，在细胞内还有许多这种典型的G蛋白具有部分相似结构、相似功能的蛋白质，如一些参与蛋白合成的延长因子、一些细胞的骨架蛋白等。

    由于G蛋白主要活跃在由神经质调节的离子通道上，吉尔曼认为，G蛋白的下一步研究对于了解神经系统和大脑的工作机制很可能有重要的价值。吉尔曼说：“我敢断言，未来的G蛋白研究将有助于澄清更多的导致神经系统和大脑出现故障的问题。我相信，G蛋白研究将对了解众多的疾病过程产生重大影响。在此基础上将大大有助于我们有效地预防和医治这些病。”“我们现在的工作仅仅是在揭示G蛋白重要价值方面开了一个头。”

    科学家迄今至少已经鉴定出40种不同类型的G蛋白。目前已经明白，G蛋白帮助把细胞膜上接受到的信号传递到细胞内，对机体的生物活性产生广泛的影响。例如，许多激素、神经递质以及视觉和嗅觉，它们的部分信号传导途径均涉及到蛋白。有的学者提出，至少有1/3的信号传导过程有G蛋白的介入；另一方面，约有50%——60%的药物作用于由G蛋白耦联的受体。而某些对人类危害颇大的疾病涉及到G蛋白的功能异常。例如癌症的发生，是G蛋白第二信使体系传递信息失常，导致细胞内生化代谢紊乱，激发细胞疯长的结果。而动脉粥样硬化的重要原因，是动脉内皮细胞原癌基因有限表达引起的有限增生。研究发现，高胆固醇血症等多种隐私可促使原癌基因表达产生相应的血小板原性生长因子，通过相关受体激活G蛋白发出错误的信号，从而引起动脉内膜平滑肌细胞增生，导致动脉粥样硬化。G蛋白作为跨膜信息的传递者，可刺激或抑制腺苷酸环化酶的合成，在心理衰竭的发生过程中起着重要作用。G蛋白的损害功能失调可抑制腺苷酸环化酶的合成，从而导致心力衰竭。G蛋白还与霍乱的发病密切相关。已发现霍乱弧菌能产生一种特殊的酶，直接作用与肠壁细胞膜内的G蛋白，并使其构象发生变化，变化后的G蛋白可使腺苷酸环化酶活性增强，引起肠细胞功能紊乱，几乎失去吸收盐分即水分的功能，最后导致严重脱水甚至死亡。近年来，由于霍乱弧菌发生基因变异，产生的毒素对G蛋白毒性更强，这也是霍乱再度在世界上猖獗的原因。