吉尔曼：G蛋白发现者

计划以检验克里克（F.H.C.Crick）“适配子假说”的正确性。计划包含了极大的科研雄心（因为直接面向科学领域的最前沿），得到实验室老师的鼓励。尽管最终未获成功，对培养吉尔曼的独立思考能力却有很大帮助。

加盟“强队”

1962年，吉尔曼以优异成绩从耶鲁大学毕业，获得学士学位。当年夏天，吉尔曼进入纽约宝威公司（Burroughs Wellcome）的康尼（A.Conney）实验室开展酶的调控研究。不得不说，家庭的熏陶与个人的爱好使吉尔曼在科研方面具有先天优势，在公司短短几个月就取得重要成果，完成两篇重要论文并发表，此番经历也坚定了吉尔曼从事科学研究的信念。

1961年春，吉尔曼收到父亲扎克的好友、细胞信号转导之父——萨瑟兰（E.W.Sutherland Jr..1971年诺贝尔生理学或医学奖获得者）的邀请，后者建议他毕业后参加凯斯西储大学（Case Western Reserve University）的医学博士-理学博士计划。吉尔曼最初对此并无太大兴趣，但萨瑟兰的多次邀请使他逐步改变了看法，于1962年秋来到克利夫兰。遗憾的是萨瑟兰不久离开凯斯西储大学而加入范德比尔特大学，于是吉尔曼不得不跟随萨瑟兰原来的助手拉尔（T.Rall）进行实验。

早在1957年，拉尔和萨瑟兰研究发现，许多激素如胰高血糖素等并不直接进入细胞，而是借助细胞膜上的腺苷酸环化酶，通过催化细胞内ATP生成cAMP，由cAMP进一步激活生理反应。据此，萨瑟兰提出“第二信使假说”，将细胞外激素称为“第一信使”，而将随后生成的cAMP称为“第二信使”。此假说奠定了细胞信号转导的基本模式。

在拉尔实验室，吉尔曼主要开展甲状腺中cAMP的研究，同时开启了自己在信号转导领域（重点在cAMP相关分子）四十余年的职业历程。研究中吉尔曼一方面意识到信号转导的重要性，并掌握了相关的研究思路和方法，另一方面熟悉了常用生物化学和细胞生物学等的实验操作，为以后更加独立地开展工作奠定了基础。

1969年吉尔曼获得博士学位，同时获得3年博士后奖学金，从而有机会来到位于贝塞斯达的国立卫生研究院（National Institutes of Health，NIH），跟随尼伦伯格（M.W.Nirenberg，1968年度诺贝尔生理学或医学奖获得者）开展研究。尼伦伯格已从遗传密码研究转向神经科学，但吉尔曼对此无太大兴趣，相反还在继续自己当初的信号转导研究，最终开发成功一种简单、敏感的cAMP检测方法，从而为更深入研究这种第二信使分子提供了巨大的便利，被许多研究人员广泛采用。

1971年，吉尔曼成为弗吉尼亚大学（University of Virginia）药理学助理教授，继续开展cAMP方面的工作。由于对cAMP已有较多研究，但是对腺苷酸环化酶的认识相对较少，因此吉尔曼决定对这种定位于细胞膜上的酶完成纯化，以便更好地研究其调节机制。吉尔曼纯化腺苷酸环化酶的基本思路是：首先将细胞各组分拆开，然后重新组装以确定各组分的功能，通过这种方法来分离。其实，许多人都对该问题进行了尝试，但由于这种酶在细胞内丰度低、分子量大、稳定性差而且是疏水性跨膜蛋白等原因，用传统生物化学方法很难达到目的，只可间接开展研究。吉尔曼的努力最终亦未获成功。就在科研工作遇阻几近停滞、吉尔曼感到一筹莫展之时，一个偶然的突破带来了重大转机。

遇见“贵人”

早期的第二信使假说模型认为，激素直接激活腺苷酸环化酶生成cAMP，但是1960年代的科学家发现，感知激素的是一类存在于细胞膜上的受体，而腺苷酸环化酶只负责cAMP的生成，两者各司其职。此时的一个重要问题是：受体和腺苷酸环化酶之间如何实现信号的整合？

美国国立环境卫生科学研究所（National In stitute of Environmental Health Sciences，NIEHS）的罗德贝尔（M.Rodbell）根据计算机和生物体信息加工方面的相似性，提出了自己的假说：信号转导过程需要三大类基本元件，即识别器（discriminator）、转导器（transducer）和放大器（amplifier），其中识别器是指受体，放大器是指腺苷酸环化酶。转导器则是罗德贝尔提出的假想概念，指介导两类分子的必要成分。罗德贝尔随后用一系列精细巧妙的实验证实，在激素诱导cAMP生成的过程中，除ATP外还需要GTP。他据此认为转导器客观存在，并且激活转导器需要GTP参与，因此将这种转导器称为GTP结合蛋白质，简称G蛋白。罗德贝尔的G蛋白概念最初并未得到科学界认可，但随着大量证据的出现。G蛋白的存在已成为一个客观事实。只是对这种物质的具体特性尚不得而知，解决的关键是将其纯化。

吉尔曼也很快意识到G蛋白在信号转导中的重要性，鉴于对腺苷酸环化酶的研究不顺利，就把注意力转向这种新兴分子。吉尔曼采用类似腺苷酸环化酶的纯化策略来研究G蛋白，亦未获理想结果，研究再一次陷入困境。

1975年，加州大学旧金山分校的汤姆金斯（G.Tomkins）和助手筛选获得一个小鼠淋巴瘤突变细胞系S49，当用激素处理该细胞时，细胞无法合成cAMP，因此他们推测，该细胞系的腺苷酸环化酶基因发生了突变。

原本就研究腺苷酸环化酶的吉尔曼对这个结果极为感兴趣，很快从汤姆金斯实验室获得了$49细胞系。幸运的是一位优秀博士后此时也加入了他的研究团队——罗斯（E.Ross）的最大兴趣在于用遗传学方法研究膜生物学问题，腺苷酸环化酶突变系统的筛选成功深深吸引了他，于是申请到汤姆金斯实验室，遗憾的是汤姆金斯突然辞世，使罗斯不得不重新选择，而研究腺苷酸环化酶的吉尔曼实验室就成了他的最佳去处。罗斯的加入对吉尔曼的后续研究工作可谓天助，一方面罗斯本人直接取得了重大突破，另一方面罗斯还游说多位有才学的年轻人加入吉尔曼的团队。

纯化G蛋白分子

罗斯和吉尔曼决定对S49细胞系展开全面研究，首先需要知道这种细胞系cAMP生成障碍的根本原因。罗斯等人用腺苷酸环化酶激活剂直接处理突变细胞即可正常生成cAMP，意味着腺苷酸环化酶功能正常；而突变细胞与激素的受体动力学分析表明，细胞拥有完整的受体；但是用激素处理突变细胞就无法生成cAMP。结合罗德贝尔的信号模式可知，唯一异常的可能是转导器，即G蛋白的损害破坏了受体与酶之间的连接。这一发现具有重要价值，S49细胞系提供了G蛋白测试的理想体系。

1977年罗斯等人发现，将正常细胞提取液加入S49细胞系后，可恢复激素诱导cAMP生成的能力，说明这种突变细胞有缺陷的信号转导通路得到了弥补。在此测试体系基础上，吉尔曼小组利用层析方法从兔肝脏细胞膜提取物中纯化了这种推测的调节成分，电泳显示是一种多亚基复合物，最初鉴定出Ⅸ亚基（45kDa；1kDa=1000u）和B亚基（35kDa），进一步研究又鉴定出γ亚基（10kDa）。吉尔曼小组还揭示了以上调节分子的作用机制。在未激活前，复合物以70kDa形式存在，激活后则减少为50kDa，提示激活过程中存在亚基分离的现象。

今天我们知道，G蛋白由α、β和γ三个亚基组成，因此又称异三聚体G蛋白。激素和受体结合导致G蛋白α亚基结合的鸟苷二磷酸（GDP）被GTP替换，这种替换使得仅亚基与β、γ亚基分离。α亚基可激活腺苷酸环化酶生成cAMP，以启动下游反应，随后α亚基可将GTP水解为GDP，再与β、γ亚基结合，从而恢复初始状态。

吉尔曼小组还初步解释了霍乱的发生机制。霍乱毒素可与G蛋白的α亚基结合，损伤其水解GTP的能力，而G蛋白持续激活会破坏水和盐从肠道的吸收，最终引发严重脱水。

G蛋白的发现还解释了萨瑟兰以前发现的氟离子对cAMP生成的促进效应（最初认为作用位点在腺苷酸环化酶上）。原来，氟离子和铝离子形成AIF₄^-，这种物质可与G蛋白α亚基的GDP形式结合，并引起β、γ亚基分离，激发腺苷酸环化酶，增加cAMP的含量。

产生巨大影响

G蛋白的发现为生命科学研究开创了一个全新的领域。人们随后发现，生物界广泛存在G蛋白，仅人体内就有35个G蛋白基因，其中16个编码α亚基，5个编码β亚基，14个编码γ亚基。G蛋白拥有广泛的生物学功能，参与调节G蛋白的受体被命名为G蛋白偶联受体（G-protein-coupled receptor，GPCR），介导了细胞中最为重要和多样的信号转导通路。细胞通过受体感受外界信息，经过G蛋白集合与转化后激发第二信使的生成，继而诱发下游信号事件，最终做出应答反应，在广泛的细胞生理过程中起关键作用。G蛋白能够有机地将外界信号转化为细胞内信号而执行“信息换能器”的功能，因此一旦G蛋白功能紊乱，必然导致相关疾病的发生，包括霍乱、糖尿病、肿瘤和酒精中毒等。从基础医学角度看，G蛋白的发现不仅完善了对细胞信号转导通路的认识，也阐明了许多疾病之发生机制，为治疗奠定了基础。此外，G蛋白介导的细胞信号转导过程在大量生物物种和生物个体的大多数脏器组织中存在，因而除医学外还有更多的生命科学研究涉及G蛋白作用机制，如神经生化和药理、植物及微生物生理生化等。G蛋白和G蛋白偶联受体成了生命科学研究者们耳熟能详的词汇。

由于纯化G蛋白分子的卓越贡献，吉尔曼于1984年获加拿大的盖尔德纳基金会国际奖（Gairdner Foundation International Award），1986年当选美国科学院院士，1989年又分享具有诺贝尔奖“风向标”之称的美国拉斯克基础医学奖，最终于1994年和罗德贝尔分享诺贝尔生理学或医学奖。

留下丰硕成果

1981年，受生物化学家布朗（M.S.Brown.1985年度诺贝尔生理学或医学奖获得者）之邀，吉尔曼加入达拉斯的得克萨斯大学（University of Texas）西南医学中心成为药理系教授，2005年升为药理系主任。

吉尔曼对新的工作环境十分满意，在这里继续完善G蛋白调节机制的研究，先后纯化了多种G蛋白亚型，发现了多种α亚基修饰方式等，还获悉了G蛋白的晶体结构，从而在分子层面上对G蛋白的激活机制有了更详细的理解。在分析G蛋白α亚基GTP结合结构域的时候，意外发现它们与一种癌蛋白Ras的结构域有高度的同源性，从而发现一类新的G蛋白，即小G蛋白，它们不参与跨膜信号转导，而是在细胞内调节特定分子活性，由此揭示了一种癌症发生的新机制。

吉尔曼仍对早期腺苷酸环化酶研究念念不忘，经过近20年未取得明显进展之后，随着分子克隆技术的发展，这个问题得到了有效解决。吉尔曼团队在鉴定出一种二萜化合物可有效结合腺苷酸环化酶的基础上，于1989年利用亲和层析从小牛大脑组织纯化了这种酶；在获取部分氨基酸片段基础上，再借助基因克隆和测序技术，获得基因全长，从而揭开这种分子的神秘面纱。这是一种12次跨膜的酶，具有极为复杂的结构，既包含G蛋白调节结构域，又含有酶的催化结构域，多个跨膜结构也发挥了不同的效应。该酶的纯化一方面有助于理解G蛋白调节cAMP的生成机制，另一方面也有利于信号转导通路的研究。

吉尔曼还子承父业，参与《治疗药理学基础》一书的多次修订和再版。在扎克去世后，吉尔曼继续担任编纂者，将此书多次再版，及时把药理学的最新知识和进展收录进来，书名亦改为《古德曼与吉尔曼治疗药理学基础》（Goodman&Gilman’s The Pharmacological Basis of Therapeutics）。此书邀集了许多著名的药理学家和临床医生担任撰稿工作，从而为许多学生和研究人员了解与熟悉药物提供了全面资讯。

吉尔曼对科学研究也有自己的独特见解，如不建议培养太多研究人员，而主张多培训熟练技术人员，以保证实验室各项工作有序推进。他推崇小型实验室研究，因为大多数科学突破往往产生于“小作坊”的研究模式。他批评当前平庸的科研过多，而随着杂志数量日益增加，此种趋势日趋严重，等等。他还非常重视科学发现过程中的“意外事件”，认为当“幸运之神”降临之时，应当毫不迟疑地去拥抱，充分利用其科学价值。这些看法值得今天许多生命科学研究者借鉴。

不幸的是吉尔曼后来被诊断出较难治的胰腺癌，于2015年12月23日在达拉斯的家中去世，享年74岁。西南医学中心主任波多尔斯基（D.Podolsky）认为，吉尔曼是医学研究领域的天才，他在G蛋白纯化及调节机制方面的发现，具有里程碑意义，为多个学科的发展开辟了新的研究方向。

吉尔曼一生发表论文200多篇，主要围绕G蛋白和腺苷酸环化酶及第二信使cAMP展开，从而将跨膜信号转导研究提升到一个新高度，为推动细胞生物学发展做出了卓越贡献。其参与编著的药理学著作亦对医学人才的培养产生了重要影响。