糖尿病：过去、现在和未来（八）：“拼图”揭秘胰岛素

发表时间：2016-02-01 11:37:00

出品：科普中国

制作：中国细胞生物学学会王立铭

监制：中国科学院计算机网络信息中心

胰岛素的传奇还在继续。
　　

因苏林的成功自然实至名归，但是因苏林的背后，还有两个重大技术问题没有解决。
　　

首先是个技术问题。尽管引入了高度自动化的生产线，尽可能地保证了因苏林产品的质量和安全性，但是因苏林始终是一种动物胰脏（一开始是牛胰脏，之后礼来公司又开发了用猪胰脏的技术）的粗糙提取物。
　　

从本质上讲，因苏林就是一种含有胰岛素的水溶液，当中包含的成分既复杂又不明确，这样一来，即便是再先进的生产线管理也无法保证每一瓶因苏林的成分完全一致，当中所包含的杂质成分对人体没有危害。开句玩笑，来自芝加哥的牛胰脏说不定就比来自克利夫兰的牛胰脏胰岛素含量高、杂质水平低——谁知道呢，尽管胰岛素药物的提纯工艺一直在不断进步，但至少一直到1950年代，人们一直都还弄不清救命的胰岛素到底是一种什么样的蛋白质。
　　

第二个问题则是市场供应问题。我们已经提到，从动物胰脏提纯胰岛素是一件极其低效的活计，每一瓶胰岛素注射液背后都是成吨的动物组织。按照这个比例，即便用上全世界牲畜的胰脏，提纯出来的胰岛素也没法满足所有糖尿病患者的需求。
　　

这两个看起来八竿子打不着的问题，最终用一种听起来怪怪的方法，殊途同归的得到解决。
　　

桑格的“拼图”
　　

故事，还要从1940年代慢慢说起。
　　

1943年，在剑桥大学工作的年轻人弗雷德里克.桑格（Frederick Sanger）从博士后导师那里领受了一个任务：测定一下牛胰岛素的氨基酸组成。在当时，桑格和他的导师的想法很简单：人们已经知道蛋白质是有机生命的重要成分，而各种蛋白质又是由大约20种氨基酸组成的，那么一个自然而然的想法是，这20种氨基酸的万花筒般的组合，产生了各种功能和性质各异的蛋白质。因此，有必要找一种蛋白质来，看看它到底是由什么样的氨基酸构成的。

弗雷德里克.桑格

这个内向文静的科学家是二十世纪生物学的巨人，而“测序”成为他一生事业的主题。除了测定蛋白质结构获得1958年诺贝尔奖，他还发明了测定RNA和DNA序列的方法，并因此在1980年第二次获得诺贝尔奖。1983年，65岁的桑格在事业如日中天时突然决定退休。直到他2013年去世，桑格淡出人们的视线，享受了三十年安详静谧的退休生活。（图片来自英文维基百科）
　　

而桑格和老师选中牛胰岛素的原因仅仅是，这种蛋白质可以很容易的从附近的药店里买到，又便宜又不会耽误研究的节奏。毕竟，这是一种全世界糖尿病人赖以生存的救命药。
　　

其实即便是在那个年代，生物化学家们想要了解一个蛋白质的氨基酸组成，总体而言还是相当容易的。他们可以用各种手段把蛋白质拆分、破碎、分解，最终变成单个氨基酸的模样，之后就可以很方便的根据不同氨基酸的特性测定出蛋白质中每种氨基酸的相对比例了。
　　

顺便提一句，拆分破碎蛋白质的一大妙方，就是用动物消化道里的消化酶（还记得胰腺的另外一个功能么？），因为那些消化酶的主要功能就是将食物中的蛋白质降解成单个氨基酸，方便身体的吸收利用。也正因为这个原因，如果桑格停留在这一步，历史上会留下一篇详尽描述胰岛素氨基酸构成的学术论文和一位默默无闻的化学家。
　　

桑格没有。桑格希望，能够最终测定胰岛素中氨基酸的顺序，而不仅仅是组成。
　　

这个想法的背后逻辑是，当时人们已经知道，蛋白质分子不仅仅是一堆氨基酸分子的复合物，而是由一堆氨基酸分子按照一定排列“串”起来的。但是究竟怎么样的排列组合成了不同的蛋白质，每一种蛋白质的氨基酸排列是否总是一致，不同蛋白质的氨基酸排列到底又有多么不同，却没有现成的答案。桑格认为，如果能真正测定一种蛋白质的氨基酸序列，这些问题都迎刃而解。
　　

桑格测定胰岛素中氨基酸序列的工作和本文的主旨关系不大，作者也就不详细展开了。但是桑格使用的方法却精妙之极，让人忍不住做点回顾。
　　

简单来说，桑格用的是一种类似拼图的测序方法。每次试验中，桑格都用不同的方法把胰岛素分子随机切断成大小不一的几段，再用一种自己发明的荧光染料，特异性地把断片一端的氨基酸染成黄色并确定其身份。这样每次打断-染色，桑格就可以知晓胰岛素中某几个断点处氨基酸的身份。经过成百上千次这样随机的重复，桑格就可以遍历胰岛素任意给定节点的氨基酸。
　　

桑格就是这样，很有耐心的拼起了这块有五十一个碎片组成的拼图的完整模样。这个拼图过程，耗费了他整整十二年的时间。

胰岛素分子的三维晶体结构

左图中的每一个小球体代表一个原子的位置（碳原子-绿色；氧原子-红色；氮原子-蓝色；氢原子-灰色）。桑格在1955年准确测定出了胰岛素分子中每一个氨基酸的顺序，而胰岛素的三维结构则由另一位诺贝尔奖获得者，英国化学家多萝西?霍奇金（Dorothy Hodgkin）测定。（图片来自英文维基百科）

这项工作的意义远远超越胰岛素研究的故事框架，成为整座现代分子生物学的基石之一。
　　

通过桑格的工作，人们意识到每种蛋白质都有独一无二的氨基酸序列，而正是这以独特的氨基酸排列顺序决定了每一种蛋白质特别的功能和特性。也正是桑格的工作为人们后来理解遗传的奥秘，即DNA上携带的遗传密码如何决定蛋白质的构成，奠定了基础。
　　

作为一项划时代的技术发明，桑格测序法也帮助全世界的生物学家们测定了成百上千的蛋白质结构。1958年，桑格获得诺贝尔化学奖。

人工合成牛胰岛素
　　

而对于我们故事的主角胰岛素来说，桑格的工作立即提示了一种诱人的可能性：既然知晓了牛胰岛素的全部氨基酸序列，我们是不是可以按图索骥地人工合成出绝对纯净的胰岛素呢？实际上，中国科学家在本世纪屈指可数的重大科学贡献之一，1960年代合成牛胰岛素的壮举，也是受到桑格工作的激励和感染。
　　

不过在真实的历史上，人工合成的动物胰岛素从未大规模地进入临床。这一方面是因为在六七十年代，人们已经可以利用先进的生物化学方法，从牛胰腺粗提液中提纯出成分单一、杂质可以忽略不计的高纯度动物胰岛素（例如1973年丹麦诺和诺德公司推出的单一组分胰岛素），因此对完全人工合成动物胰岛素的需求就没有那么迫切了。
　　

而另一方面，这也是因为桑格的工作无意间指出了另一条更为光明的道路，最终带来了人胰岛素的大规模临床应用。

如何获得人的胰岛素
　　

读者们别急，获得人的胰岛素，不是说要像活熊取胆那样把人变成活着的胰岛素工厂，更不是要从死人身上窃取胰腺，科学家们没有那么冷血。或者说更重要的是，他们没有那么缺乏想象力。
　　

科学家从桑格的工作中得到的启发是，也许可以在工厂里，大规模的生产人的胰岛素，从而从根本上取代动物胰岛素的使用。
　　

读者们在阅读之前的故事的时候就可能会有疑虑，动物的（主要是牛的、也有用猪的）胰岛素，怎么可以随随便便拿来治疗人的糖尿病？动物的胰岛素和人的胰岛素难道可以随意替换么？
　　

是，但也不尽是。拿牛的胰岛素来说吧，它的氨基酸序列和人胰岛素高度相似，仅有不到10%的氨基酸有所不同（51个氨基酸有3个不同）。因此，在临床上它确实能起到治疗人类糖尿病的功效。但是，在人体使用的过程中，牛胰岛素的效用确实要略差一些；同时，这些许的差别能够被人体灵敏的免疫系统识别，从而引发一定程度的免疫反应，这是牛胰岛素难以避免的副作用。

不同的胰岛素（绘图肖媛）