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糖尿?。哼^去、現(xiàn)在和未來（八）：“拼圖”揭秘胰島素

文章出處：永信藥業(yè) 人氣：-發(fā)表時(shí)間：2016-02-01 11:37:00

出品：科普中國(guó)

制作：中國(guó)細(xì)胞生物學(xué)學(xué)會(huì) 王立銘

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

胰島素的傳奇還在繼續(xù)。
　　

因蘇林的成功自然實(shí)至名歸，但是因蘇林的背后，還有兩個(gè)重大技術(shù)問題沒有解決。
　　

首先是個(gè)技術(shù)問題。盡管引入了高度自動(dòng)化的生產(chǎn)線，盡可能地保證了因蘇林產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性，但是因蘇林始終是一種動(dòng)物胰臟（一開始是牛胰臟，之后禮來公司又開發(fā)了用豬胰臟的技術(shù)）的粗糙提取物。
　　

從本質(zhì)上講，因蘇林就是一種含有胰島素的水溶液，當(dāng)中包含的成分既復(fù)雜又不明確，這樣一來，即便是再先進(jìn)的生產(chǎn)線管理也無法保證每一瓶因蘇林的成分完全一致，當(dāng)中所包含的雜質(zhì)成分對(duì)人體沒有危害。開句玩笑，來自芝加哥的牛胰臟說不定就比來自克利夫蘭的牛胰臟胰島素含量高、雜質(zhì)水平低——誰知道呢，盡管胰島素藥物的提純工藝一直在不斷進(jìn)步，但至少一直到1950年代，人們一直都還弄不清救命的胰島素到底是一種什么樣的蛋白質(zhì)。
　　

第二個(gè)問題則是市場(chǎng)供應(yīng)問題。我們已經(jīng)提到，從動(dòng)物胰臟提純胰島素是一件極其低效的活計(jì)，每一瓶胰島素注射液背后都是成噸的動(dòng)物組織。按照這個(gè)比例，即便用上全世界牲畜的胰臟，提純出來的胰島素也沒法滿足所有糖尿病患者的需求。
　　

這兩個(gè)看起來八竿子打不著的問題，最終用一種聽起來怪怪的方法，殊途同歸的得到解決。
　　

桑格的“拼圖”
　　

故事，還要從1940年代慢慢說起。
　　

1943年，在劍橋大學(xué)工作的年輕人弗雷德里克.桑格（Frederick Sanger）從博士后導(dǎo)師那里領(lǐng)受了一個(gè)任務(wù)：測(cè)定一下牛胰島素的氨基酸組成。在當(dāng)時(shí)，桑格和他的導(dǎo)師的想法很簡(jiǎn)單：人們已經(jīng)知道蛋白質(zhì)是有機(jī)生命的重要成分，而各種蛋白質(zhì)又是由大約20種氨基酸組成的，那么一個(gè)自然而然的想法是，這20種氨基酸的萬花筒般的組合，產(chǎn)生了各種功能和性質(zhì)各異的蛋白質(zhì)。因此，有必要找一種蛋白質(zhì)來，看看它到底是由什么樣的氨基酸構(gòu)成的。

弗雷德里克.桑格

這個(gè)內(nèi)向文靜的科學(xué)家是二十世紀(jì)生物學(xué)的巨人，而“測(cè)序”成為他一生事業(yè)的主題。除了測(cè)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)獲得1958年諾貝爾獎(jiǎng)，他還發(fā)明了測(cè)定RNA和DNA序列的方法，并因此在1980年第二次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。1983年，65歲的桑格在事業(yè)如日中天時(shí)突然決定退休。直到他2013年去世，桑格淡出人們的視線，享受了三十年安詳靜謐的退休生活。（圖片來自英文維基百科）
　　

而桑格和老師選中牛胰島素的原因僅僅是，這種蛋白質(zhì)可以很容易的從附近的藥店里買到，又便宜又不會(huì)耽誤研究的節(jié)奏。畢竟，這是一種全世界糖尿病人賴以生存的救命藥。
　　

其實(shí)即便是在那個(gè)年代，生物化學(xué)家們想要了解一個(gè)蛋白質(zhì)的氨基酸組成，總體而言還是相當(dāng)容易的。他們可以用各種手段把蛋白質(zhì)拆分、破碎、分解，最終變成單個(gè)氨基酸的模樣，之后就可以很方便的根據(jù)不同氨基酸的特性測(cè)定出蛋白質(zhì)中每種氨基酸的相對(duì)比例了。
　　

順便提一句，拆分破碎蛋白質(zhì)的一大妙方，就是用動(dòng)物消化道里的消化酶（還記得胰腺的另外一個(gè)功能么？），因?yàn)槟切┫傅闹饕δ芫褪菍⑹澄镏械牡鞍踪|(zhì)降解成單個(gè)氨基酸，方便身體的吸收利用。也正因?yàn)檫@個(gè)原因，如果桑格停留在這一步，歷史上會(huì)留下一篇詳盡描述胰島素氨基酸構(gòu)成的學(xué)術(shù)論文和一位默默無聞的化學(xué)家。
　　

桑格沒有。桑格希望，能夠最終測(cè)定胰島素中氨基酸的順序，而不僅僅是組成。
　　

這個(gè)想法的背后邏輯是，當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)知道，蛋白質(zhì)分子不僅僅是一堆氨基酸分子的復(fù)合物，而是由一堆氨基酸分子按照一定排列“串”起來的。但是究竟怎么樣的排列組合成了不同的蛋白質(zhì)，每一種蛋白質(zhì)的氨基酸排列是否總是一致，不同蛋白質(zhì)的氨基酸排列到底又有多么不同，卻沒有現(xiàn)成的答案。桑格認(rèn)為，如果能真正測(cè)定一種蛋白質(zhì)的氨基酸序列，這些問題都迎刃而解。
　　

桑格測(cè)定胰島素中氨基酸序列的工作和本文的主旨關(guān)系不大，作者也就不詳細(xì)展開了。但是桑格使用的方法卻精妙之極，讓人忍不住做點(diǎn)回顧。
　　

簡(jiǎn)單來說，桑格用的是一種類似拼圖的測(cè)序方法。每次試驗(yàn)中，桑格都用不同的方法把胰島素分子隨機(jī)切斷成大小不一的幾段，再用一種自己發(fā)明的熒光染料，特異性地把斷片一端的氨基酸染成黃色并確定其身份。這樣每次打斷-染色，桑格就可以知曉胰島素中某幾個(gè)斷點(diǎn)處氨基酸的身份。經(jīng)過成百上千次這樣隨機(jī)的重復(fù)，桑格就可以遍歷胰島素任意給定節(jié)點(diǎn)的氨基酸。
　　

桑格就是這樣，很有耐心的拼起了這塊有五十一個(gè)碎片組成的拼圖的完整模樣。這個(gè)拼圖過程，耗費(fèi)了他整整十二年的時(shí)間。

胰島素分子的三維晶體結(jié)構(gòu)

左圖中的每一個(gè)小球體代表一個(gè)原子的位置（碳原子-綠色；氧原子-紅色；氮原子-藍(lán)色；氫原子-灰色）。桑格在1955年準(zhǔn)確測(cè)定出了胰島素分子中每一個(gè)氨基酸的順序，而胰島素的三維結(jié)構(gòu)則由另一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，英國(guó)化學(xué)家多蘿西?霍奇金（Dorothy Hodgkin）測(cè)定。（圖片來自英文維基百科）

這項(xiàng)工作的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越胰島素研究的故事框架，成為整座現(xiàn)代分子生物學(xué)的基石之一。
　　

通過桑格的工作，人們意識(shí)到每種蛋白質(zhì)都有獨(dú)一無二的氨基酸序列，而正是這以獨(dú)特的氨基酸排列順序決定了每一種蛋白質(zhì)特別的功能和特性。也正是桑格的工作為人們后來理解遺傳的奧秘，即DNA上攜帶的遺傳密碼如何決定蛋白質(zhì)的構(gòu)成，奠定了基礎(chǔ)。
　　

作為一項(xiàng)劃時(shí)代的技術(shù)發(fā)明，桑格測(cè)序法也幫助全世界的生物學(xué)家們測(cè)定了成百上千的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。1958年，桑格獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

人工合成牛胰島素
　　

而對(duì)于我們故事的主角胰島素來說，桑格的工作立即提示了一種誘人的可能性：既然知曉了牛胰島素的全部氨基酸序列，我們是不是可以按圖索驥地人工合成出絕對(duì)純凈的胰島素呢？實(shí)際上，中國(guó)科學(xué)家在本世紀(jì)屈指可數(shù)的重大科學(xué)貢獻(xiàn)之一，1960年代合成牛胰島素的壯舉，也是受到桑格工作的激勵(lì)和感染。
　　

不過在真實(shí)的歷史上，人工合成的動(dòng)物胰島素從未大規(guī)模地進(jìn)入臨床。這一方面是因?yàn)樵诹呤甏藗円呀?jīng)可以利用先進(jìn)的生物化學(xué)方法，從牛胰腺粗提液中提純出成分單一、雜質(zhì)可以忽略不計(jì)的高純度動(dòng)物胰島素（例如1973年丹麥諾和諾德公司推出的單一組分胰島素），因此對(duì)完全人工合成動(dòng)物胰島素的需求就沒有那么迫切了。
　　

而另一方面，這也是因?yàn)樯８竦墓ぷ鳠o意間指出了另一條更為光明的道路，最終帶來了人胰島素的大規(guī)模臨床應(yīng)用。

如何獲得人的胰島素
　　

讀者們別急，獲得人的胰島素，不是說要像活熊取膽那樣把人變成活著的胰島素工廠，更不是要從死人身上竊取胰腺，科學(xué)家們沒有那么冷血?；蛘哒f更重要的是，他們沒有那么缺乏想象力。
　　

科學(xué)家從桑格的工作中得到的啟發(fā)是，也許可以在工廠里，大規(guī)模的生產(chǎn)人的胰島素，從而從根本上取代動(dòng)物胰島素的使用。
　　

讀者們?cè)陂喿x之前的故事的時(shí)候就可能會(huì)有疑慮，動(dòng)物的（主要是牛的、也有用豬的）胰島素，怎么可以隨隨便便拿來治療人的糖尿??？動(dòng)物的胰島素和人的胰島素難道可以隨意替換么？
　　

是，但也不盡是。拿牛的胰島素來說吧，它的氨基酸序列和人胰島素高度相似，僅有不到10%的氨基酸有所不同（51個(gè)氨基酸有3個(gè)不同）。因此，在臨床上它確實(shí)能起到治療人類糖尿病的功效。但是，在人體使用的過程中，牛胰島素的效用確實(shí)要略差一些；同時(shí)，這些許的差別能夠被人體靈敏的免疫系統(tǒng)識(shí)別，從而引發(fā)一定程度的免疫反應(yīng)，這是牛胰島素難以避免的副作用。

不同的胰島素（繪圖肖媛）

在這張圖里，每個(gè)構(gòu)成胰島素的氨基酸分子都用一個(gè)圓圈（和圓圈內(nèi)的特定三字母編碼）表示。我們可以看到，牛胰島素與人胰島素有三個(gè)氨基酸的差別（綠色），而豬胰島素相對(duì)更接近人，僅有一個(gè)氨基酸的差別（紅色）。（圖片來自www.diapedia.org）

而桑格工作的啟示在于，既然我們可以測(cè)定牛胰島素的氨基酸序列，我們自然也可以測(cè)定人胰島素的氨基酸序列。那么我們是不是就可以完全拋棄不完美的動(dòng)物胰島素，直接在工廠里生產(chǎn)人胰島素蛋白，并用于治療糖尿病了？
　　

歷史快進(jìn)到1982年，優(yōu)泌林（Humulin），第一支人胰島素上市銷售。這支由基因工程制造的革命性藥物，將胰島素的臨床應(yīng)用推進(jìn)到前所未有的高速，也標(biāo)志著制藥工業(yè)一個(gè)嶄新歷史階段的到來。
　　

優(yōu)泌林是怎么來的呢？
　　敬請(qǐng)期待下文《糖尿病：過去、現(xiàn)在和未來（九）：胰島素進(jìn)化論》。革命性的基因工程技術(shù)開始大展拳腳，從人胰島素到形形色色的新一代胰島素產(chǎn)品，從注射胰島素到口服胰島素，胰島素的百年精彩還在繼續(xù)。

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