糖尿病的故事（八）：「拼圖」揭秘胰島素

原標題：糖尿病的過去、現在和未來（八）：「拼圖」揭秘胰島素

出品：科普中國

製作：中國細胞生物學學會 王立銘

監製：中國科學院計算機網路信息中心

胰島素的傳奇還在繼續。

因蘇林的成功自然實至名歸，但是因蘇林的背後，還有兩個重大技術問題沒有解決。

首先是個技術問題。儘管引入了高度自動化的生產線，儘可能地保證了因蘇林產品的質量和安全性，但是因蘇林始終是一種動物胰臟（一開始是牛胰臟，之後禮來公司又開發了用豬胰髒的技術）的粗糙提取物。

從n本質上講，因蘇林就是一種含有胰島素的水溶液，當中包含的成分既複雜又不明確，這樣一來，即便是再先進的生產線管理也無法保證每一瓶因蘇林的成分完全一n致，當中所包含的雜質成分對人體沒有危害。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、雜質水平低——誰知道呢，儘管胰島n素藥物的提純工藝一直在不斷進步，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麼樣的蛋白質。

第二個問題則是市場供應問題。我們已經提到，從動物胰臟提純胰島素是一件極其低效的活計，每一瓶胰島素注射液背後都是成噸的動物組織。按照這個比例，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。

1943n年，在劍橋大學工作的年輕人弗雷德里克?桑格（Frederick nSanger）從博士後導師那裡領受了一個任務：測定一下牛胰島素的氨基酸組成。在當時，桑格和他的導師的想法很簡單：人們已經知道蛋白質是有機生命的重n要成分，而各種蛋白質又是由大約20種氨基酸組成的，那麼一個自然而然的想法是，這20種氨基酸的萬花筒般的組合，產生了各種功能和性質各異的蛋白質。因n此，有必要找一種蛋白質來，看看它到底是由什麼樣的氨基酸構成的。

弗雷德里克?桑格

這n個內向文靜的科學家是二十世紀生物學的巨人，而「測序」成為他一生事業的主題。除了測定蛋白質結構獲得1958年諾貝爾獎，他還發明了測定RNA和DNAn序列的方法，並因此在1980年第二次獲得諾貝爾獎。1983年，65歲的桑格在事業如日中天時突然決定退休。直到他2013年去世，桑格淡出人們的視n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，這種蛋白質可以很容易的從附近的藥店里買到，又便宜又不會耽誤研究的節奏。畢竟，這是一種全世界糖尿病人賴以生存的救命葯。

其實即便是在那個年代，生物化學家們想要了解一個蛋白質的氨基酸組成，總體而言還是相當容易的。他們可以用各種手段把蛋白質拆分、破碎、分解，最終變成單個氨基酸的模樣，之後就可以很方便的根據不同氨基酸的特性測定出蛋白質中每種氨基酸的相對比例了。

順n便提一句，拆分破碎蛋白質的一大妙方，就是用動物消化道里的消化酶（還記得胰腺的另外一個功能么？），因為那些消化酶的主要功能就是將食物中的蛋白質降解n成單個氨基酸，方便身體的吸收利用。也正因為這個原因，如果桑格停留在這一步，歷史上會留下一篇詳盡描述胰島素氨基酸構成的學術論文和一位默默無聞的化學n家。

桑格沒有。桑格希望，能夠最終測定胰島素中氨基酸的順序，而不僅僅是組成。

這個想法的背後邏輯是，當時人們已經知道，蛋n白質分子不僅僅是一堆氨基酸分子的複合物，而是由一堆氨基酸分子按照一定排列「串」起來的。但是究竟怎麼樣的排列組合成了不同的蛋白質，每一種蛋白質的氨n基酸排列是否總是一致，不同蛋白質的氨基酸排列到底又有多麼不同，卻沒有現成的答案。桑格認為，如果能真正測定一種蛋白質的氨基酸序列，這些問題都迎刃而n解。

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

簡n單來說，桑格用的是一種類似拼圖的測序方法。每次試驗中，桑格都用不同的方法把胰島素分子隨機切斷成大小不一的幾段，再用一種自己發明的熒光染料，特異性n地把斷片一端的氨基酸染成黃色並確定其身份。這樣每次打斷-染色，桑格就可以知曉胰島素中某幾個斷點處氨基酸的身份。經過成百上千次這樣隨機的重複，桑格n就可以遍歷胰島素任意給定節點的氨基酸。

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

胰島素分子的三維晶體結構

左n圖中的每一個小球體代表一個原子的位置（碳原子-綠色；氧原子-紅色；氮原子-藍色；氫原子-灰色）。桑格在1955年準確測定出了胰島素分子中每一個氨n基酸的順序，而胰島素的三維結構則由另一位諾貝爾獎獲得者，英國化學家多蘿西?霍奇金（Dorothy Hodgkin）測定。（圖片來自英文維基百科）

這項工作的意義遠遠超越胰島素研究的故事框架，成為整座現代分子生物學的基石之一。

通過桑格的工作，人們意識到每種蛋白質都有獨一無二的氨基酸序列，而正是這以獨特的氨基酸排列順序決定了每一種蛋白質特別的功能和特性。也正是桑格的工作為人們後來理解遺傳的奧秘，即DNA上攜帶的遺傳密碼如何決定蛋白質的構成，奠定了基礎。

作為一項劃時代的技術發明，桑格測序法也幫助全世界的生物學家們測定了成百上千的蛋白質結構。1958年，桑格獲得諾貝爾化學獎。

人工合成牛胰島素

而n對於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純n凈的胰島素呢？實際上，中國科學家在本世紀屈指可數的重大科學貢獻之一，1960年代合成牛胰島素的壯舉，也是受到桑格工作的激勵和感染。

不n過在真實的歷史上，人工合成的動物胰島素從未大規模地進入臨床。這一方面是因為在六七十年代，人們已經可以利用先進的生物化學方法，從牛胰腺粗提液中提純n出成分單一、雜質可以忽略不計的高純度動物胰島素（例如1973年丹麥諾和諾德公司推出的單一組分胰島素），因此對完全人工合成動物胰島素的需求就沒有那n么迫切了。

而另一方面，這也是因為桑格的工作無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模臨床應用。

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，科學家們沒有那麼冷血。或者說更重要的是，他們沒有那麼缺乏想像力。

科學家從桑格的工作中得到的啟發是，也許可以在工廠里，大規模的生產人的胰島素，從而從根本上取代動物胰島素的使用。

讀者們在閱讀之前的故事的時候就可能會有疑慮，動物的（主要是牛的、也有用豬的）胰島素，怎麼可以隨隨便便拿來治療人的糖尿病？動物的胰島素和人的胰島素難道可以隨意替換么？

是，n但也不儘是。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個氨基酸有3個不同）。因此，在臨床上它確實n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要略差一些；同時，這些許的差別能夠被人體靈敏的免疫系統識別，從而引發一定n程度的免疫反應，這是牛胰島素難以避免的副作用。

不同的胰島素（繪圖 肖媛）

在這張圖裡，每個構成胰島素的氨基酸分子都用一個圓圈（和圓圈內的特定三字母編碼）表示。我們可以看到，牛胰島素與人胰島素有三個氨基酸的差別（綠色），而豬胰島素相對更接近人，僅有一個氨基酸的差別（紅色）。（圖片來自Diapedia, The Living Textbook of Diabetes）

而桑格工作的啟示在於，既然我們可以測定牛胰島素的氨基酸序列，我們自然也可以測定人胰島素的氨基酸序列。那麼我們是不是就可以完全拋棄不完美的動物胰島素，直接在工廠里生產人胰島素蛋白，並用於治療糖尿病了？

歷史快進到1982年，優泌林（Humulin），第一支人胰島素上市銷售。這支由基因工程製造的革命性藥物，將胰島素的臨床應用推進到前所未有的高速，也標誌著製藥工業一個嶄新歷史階段的到來。

優泌林是怎麼來的呢？

敬請期待下文《糖尿病：過去、現在和未來（九）：胰島素進化論》。革命性的基因工程技術開始大展拳腳，從人胰島素到形形色色的新一代胰島素產品，從注射胰島素到口服胰島素，胰島素的百年精彩還在繼續。

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