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这个“神药”,彻底改变了糖尿病的治疗困境

这个“神药”,彻底改变了糖尿病的治疗困境

科学

导读:
100年前,发现胰岛素的两位加拿大科学家Banting和Macleod获得1923年诺贝尔生理学或医学奖。这只是胰岛素治疗糖尿病、拯救数千万病人和家庭神奇之旅的开始,之后英国、美国、丹麦、中国的科学家都加入了研制和优化人胰岛素药物的工作中去,多家国际制药公司也由此声名鹊起,多个诺贝尔奖得主也因胰岛素的研究而诞生。
如今,胰岛素药物的优化还在继续,胰岛素的传奇也在继续。
刘文强 谭忠平| 撰文

毫无疑问,胰岛素的发现和使用,是医药科学史上最重大的成就之一。自从在第一个糖尿病患者身上以一个“神药”般的方式使用以后,在过去的100年里,它帮助拯救了数以千万人的生命和家庭。与此同时,作为一个代表性的药物蛋白质,它也成为了生物学、化学和生物医药近代发展史上的一盏明灯,不断指引着研究人员实现在科学研究和应用上的探索和突破。

胰岛素的故事,是一个美丽故事。这个故事在不断地被讲述,也会不断地成长。

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糖尿病





糖尿病对所有人来说,都不是一个陌生的疾病。它作为一种难以治愈的代谢性疾病,一直影响着人类。糖尿病患者的血糖大大高于标准值,而血糖的升高导致渗透压增加,常常会导致患者出现多饮、多食、多尿和体重减轻等症状。如果不进行有效的干预,长期的糖尿病会引起很多并发症,包括心血管疾病、肾脏损伤或衰竭、视网膜病变、足部严重的皮肤感染、溃疡以及骨骼和牙齿等问题。

糖尿病主要有两种类型:1型(胰岛素依赖型)和2型(非胰岛素依赖型)。1型主要是由于自身胰岛β细胞遭到破坏引起的,2型则主要是由胰岛素分泌受损和胰岛素抵抗引起。

现今关于糖尿病最早的记录,可能就是公元前1550年左右埃及的埃伯斯莎草纸(Ebers Papyrus)上的记录。此后,在印度、中国和希腊这些文明古国的典籍中也有记载。在中国古代的传统医学中,糖尿病被称为消渴症。关于消渴症的最早描述发现于《黄帝内经·奇病论》中,“……甘者令人中满,故其气上溢,转为消渴。”在中国史书上记载的患消渴症,比较早也比较有名的案例是西汉盛世汉武帝时期的司马相如(字长卿),因此在古诗文中也常用长卿病、相如病等风雅的名字来代替消渴症。比如杜甫的诗句“我多长卿病,日夕思朝廷。肺枯渴太甚,漂泊公孙城。”杜甫一生受到了糖尿病很多的困扰。在他所写的诗中,有100多处提到了这个疾病。他在59岁时去世,有很多人认为可能是多种糖尿病的并发症导致的。

糖尿病在杜甫所在的唐朝是不治之症,但直到上世纪初,医生对糖尿病也几乎束手无策。不过那时候由于各种条件相对于今天要恶劣的多,因此糖尿病患者的人数非常少,并且所患疾病绝大多数都是由遗传和环境因素等导致的1型糖尿病,不是由不良生活和饮食习惯等导致的2型糖尿病。患者也主要是儿童和青少年。对于这些患者而言,患了1型糖尿病也就几乎相当于被判处了死刑。医生能找到的最有效的治疗方法是让他们把碳水化合物的摄入量降低到450卡路里左右(正常情况下,每人每天需消耗约2000卡路里)。在患者能够严格遵守医嘱的情况下,这种疗法的效果也仅仅是能让他们在缺乏生活质量和乐趣的情况下多存活几年。

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胰岛素横空出世





糖尿病治疗史上的转折点发生在上世纪初,曙光出现则是在1889年。

那一年,两位德国研究人员Oskar Minkowski和Joseph von Mering发现,狗在切除胰腺后会出现人糖尿病的症状。此后,美国医生Eugene Opie指出,糖尿病可能是由胰腺中胰岛的病变导致的。看到这些信息后,加拿大医生Frederick Banting在笔记本上写下了一个推断:结扎狗的胰腺导管,让狗活到腺体退化至仅留下胰岛,分离胰岛细胞的分泌物,可用于缓解糖尿病。这个推断,在很短的时间内,就让曙光变成了灿烂的阳光,照亮了当时糖尿病患者阴暗的世界。

Banting、Best和实验用狗。图源:https://sciencehistory.org/education/scientific-biographies/frederick-banting-charles-best-james-collip-and-john-macleod/

在加拿大多伦多大学糖代谢专家John Macleod教授的协助下,Banting和助手 Charles Best在1921年夏天开始用狗来验证推断的可行性和正确性。经过多次实验,他们终于取得了成功。他们把从其它结扎了胰腺导管的狗中获得的提取物,注射到一只因为胰腺被切除而得了糖尿病的名叫Marjorie的病狗静脉中。提取物就像传说中的“神药”一样,在一个小时内,让狗的血糖得到了大幅降低。原先病恹恹的狗神奇地抬起了头,站了起来,开始摇动尾巴。Banting的推断获得了巨大的成功!

从概念的成功到临床应用的成功,他们还需要跨越几个障碍,包括找到大量提取物的可靠来源、对提取物进行纯化、以及合理地安排人体临床试验等。Banting虽然冲劲十足,但这些难题却不是他这个经验有限的科研新人能在短时间内凭自己的能力全部解决的。他和Best从屠宰场的牛胰腺里用高浓度的乙醇提取出了较大量的活性成分物质。这种被Macleod教授重新命名为胰岛素(insulin)的物质其来源问题基本获得了解决。Macleod教授利用他的经验和资源,组建了包括生物化学专家James Collip教授在内一个团队,帮Banting扫除了后续与纯化、临床前和临床试验相关的很多障碍。

在Collip教授的不断努力下,胰岛素达到合适的纯度,1922年1月23日在14岁的Leonard Thompson身上进行的第二次人体临床试验中取得了成功。他们再接再厉,同年2月份在6位其他病人身上进行了试验,效果都非常好。

这个消息传播的飞快。医生们在听说这种神奇药物后,纷纷恳求多伦多大学提供胰岛素挽救他们濒临死亡的病人,但是多伦多大学和合作实验室Connaught Laboratories却完全没法满足激增的需求,甚至由于考虑不周还导致1922年上半年胰岛素出现了严重短缺的问题。为了解决迫在眉睫的胰岛素供应问题,多伦多大学答应了美国制药公司礼来(Eli Lilly and Co.)的合作请求。礼来从1922年6月开始利用猪和牛的胰腺进行胰岛素生产,并在1923年2月份成功地建立了大规模的胰岛素储备,使其逐渐能够满足整个北美地区的需求。这个成功在很大程度上归功于礼来的首席化学专家 George Walden,他在1922年底创造性地开发出了胰岛素等电点沉淀纯化法,使大规模的胰岛素纯化成为可能。

也是在1922年,两年前的诺贝尔生理学或医学奖获得者,哥本哈根大学的August Krogh教授到美国的耶鲁大学做学术报告。在他的妻子Marie Krogh(一位糖尿病患者)的劝说下,他们绕道来到了多伦多大学。在那里,Krogh与Banting和Macleod进行了深入的交流,成功地获得了在欧洲生产胰岛素的授权,并在1923年初利用牛胰腺制备出了第一批胰岛素产品。他的公司最终演化成了现在赫赫有名的欧洲制药公司诺和诺德(Novo Nordisk)。

Krogh投桃报李。在回到欧洲后不久,就向诺贝尔奖委员会提名了Banting和Macleod。二人也因为发现胰岛素而共同获得了1923年诺贝尔生理学或医学奖。其实他们两人所在的胰岛素研发团队从一开始就矛盾重重,得了奖后也是争吵不断。Banting因为认为Macleod不该得奖,差点气得不去领奖。在提名时,Krogh对他们二人的贡献做了比较客观的总结。他认为这项工作的最初想法无疑属于Banting。然而,没有Macleod的资源、经验和指导,单凭Banting和Best,绝对无法完成胰岛素成药所必须的研究。

不管发明者怎么争吵,胰岛素的神奇魔力却一直在不停地释放着。到1922年下半年,已经有数百名北美糖尿病患者接受了胰岛素治疗,他们恢复的故事大多数都象“童话”一样。其中的一个著名例子是Elizabeth Hughes的治疗经历。Hughes在1907年出生在美国纽约州。她在11岁时被诊断出患有糖尿病,到1922年8月,她已经因虚弱无法行走了。在班廷开始给她注射胰岛素后,仅用了两周,她就在很大程度上恢复了正常。她在1923年回到学校,1929年从巴纳德学院(Barnard College)毕业,嫁给了一名知名的律师,生了两个女儿和一个儿子,活到了73岁。Hughes在一生中一共接受了大约42000次胰岛素注射。虽然她的寿命没有受到太多糖尿病的影响,但她却很忌讳谈及自己的糖尿病,甚至最后销毁了大部分记录她治疗的材料。

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胰岛素的另一个身份





1921年发现的胰岛素不仅以一个药物分子的身份,让糖尿病的治疗发生了翻天覆地的变化,让发现者受到了全世界的赞誉,也以一个蛋白质模式分子的身份,对生物化学的发展,特别是蛋白质序列和结构概念的发展产生了深远的影响。

在胰岛素刚被发现的那个年代,分析手段还非常落后。研究人员虽然知道注射用的胰岛素制剂中含有很多杂质,应该想尽各种办法进行纯化,但是包括Best和Macleod等在内的很多人,并不知道杂质是什么。他们二人甚至认为胰岛素不可能是蛋白质。

美国约翰霍普金斯大学的John Abel教授的工作对澄清这些错误认识做出了很大的贡献。他在1925年底首次得到了牛胰岛素的结晶。这种不含杂质的晶体极大地提高了胰岛素的活性。Abel在刚开始实验的时候并不知道胰岛素是一种蛋白质,他其实是把胰岛素看作是一种稳定的化合物。因此,他是使用化学上常用的纯化和结晶手段成功地拿到晶体的。幸亏胰岛素相对比较稳定,不是那种异常娇弱的蛋白质分子,否则应该完全无法抗过Abel教授使用的各种“粗暴”的手段。

Abel教授和胰岛素结晶。图源:https://prabook.com/web/john.abel/1411238#gallery

牛胰岛素晶体的纯度非常高,这为Abel实验室后续研究结论的准确性奠定了坚实的基础。在这个基础上,他们形成了一个与当时流行的理论完全相左的创新观点,即胰岛素是一种没有任何外来活性基团的、由氨基酸组成的复杂蛋白质。最重要的是,在1935年,他们确定了苯丙氨酸是胰岛素分子的N-末端氨基酸之一。这是首次在蛋白质分子中证实特定氨基酸的确切位置。这一结果形成了Frederick Sanger进行胰岛素测序的一个重要基石,一项他坚持了12年才完成的工作。

Sanger在1943年从剑桥大学生物化学系获得博士学位后,加入了Charles Chibnall实验室。Chibnall实验室是当时世界领先的氨基酸分析团队之一,他们对胰岛素特别感兴趣,也研究了多年,获得了一些重要的发现。比如他们发现,牛胰岛素的组成里缺少色氨酸和甲硫氨酸这两种常见的氨基酸,因此比大多数蛋白质简单一些;它具有较高的α-氨基含量,因此可能含有多于一条多肽链等。在Chibnall教授的建议下,Sanger开始尝试鉴定出牛胰岛素里氨基酸的连接方式。经过尝试,他找到了一个二硝基苯酚(DNP)的方法,也就是使用氟二硝基苯(FDNB)与通过各种方式得来的胰岛素肽片段的N-末端自由氨基反应生成DNP衍生物,然后用酸水解,乙醚萃取,获得N-末端氨基酸的DNP衍生物的方法。通过比较DNP衍生物的色谱性质,他能够鉴定出DNP-氨基酸的结构。在获得了大量的各种N-末端氨基酸信息后,在1955年,Sanger象拼图一样,拼出牛胰岛素的完整序列。在1958年,他因为这项工作获得了诺贝尔化学奖。

Sanger在1953年实验记录本的上的两页,显示着当时他获得的关于胰岛素的序列。图源:https://www.whatisbiotechnology.org/index.php/exhibitions/sanger/insulin

同样从Abel实验室的工作中获得灵感的还有1955年诺贝尔化学奖获得者Vincent du Vigneaud。1927年,du Vigneaud从美国罗彻斯特大学获得博士学位,他论文的题目是“胰岛素中的硫”。他研究的一个重要发现是胰岛素中的硫以二硫键的形式存在,因此在很大程度上说明胰岛素中含有半胱氨酸,胰岛素很可能是一种蛋白质。另外,他还是第一个重复出胰岛素晶体结果、非Abel实验室的人士,这一点让Abel教授非常满意,因此接收他来实验室进行博士后研究。在Abel实验室,他继续研究胰岛素的水解产物,想实现分离结晶半胱氨酸的目标,不过最终他的研究方向转向了证明是否有比Abel实验室的晶体活性更强的胰岛素的存在。

在开始自己的独立研究后,du Vigneaud也没有离胰岛素太远。从1932年开始,他开始研究另一个也非常重要但结构简单的多的激素,催产素。在接近20多年的研究里,他通过改进和使用Sanger的方法以及Pehr Edman在1949年发明的Edman降解法,确定了这个9肽激素的序列,证明了二硫键的存在,并通过开发新的合成方法,在1953年合成了催产素,确定了测序工作的正确性。在他的诺贝尔奖演讲中,他将他的研究描述为由硫指引的研究。而这个指引,正是来源于胰岛素。

du-Vigneaud和催产素。图源:https://www.thefamouspeople.com/profiles/vincent-du-vigneaud-7473.php

另一位与胰岛素有极深联系的诺贝尔奖获得者是Dorothy Hodgkin,她被认为是X射线晶体学的创始人。她1910年出生于埃及开罗,1937年从剑桥大学获得博士学位。胰岛素结构的测定是她一生最闪亮的成果之一。这个项目开始于1934年,当时Robert Robinson教授给她提供了一颗非常珍贵的胰岛素晶体。但是在当时,X射线晶体学还没有达到解析像胰岛素这样复杂分子结构的水平,因此她转而研究一些在二战时期更为重要的分子的结构,比如青霉素。她花了4年的时间,在1945年解出了这个“神药”的结构。接下来,又花了8年的时间,在1954年解出了维生素B12的结构。这些成果,帮助她在1964年获得了诺贝尔化学奖。在更多的资源和更好的技术的支持下,她领导着自己的团队,又开始了胰岛素结构的研究,并成功地在1969年完成了这项艰巨的任务,前前后后耗时35年。

Hodgkin和胰岛素结构。图源:https://www.chemistryworld.com/features/dorothy-hodgkin-cracking-crystal-codes/3004555.article

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胰岛素的兄弟们





胰岛素序列和结构的确定,为科学家更好地理解胰岛素的结构-功能关系以及通过改变胰岛素的结构发现更好的胰岛素类药物,奠定了坚实的基础。

在寻找更好的胰岛素药物的道路上,首当其冲的就是开发人胰岛素。猪和牛的胰岛素作为糖尿病的治疗药物,从1922年一直使用到上世纪80年代。在治病的同时,这些胰岛素产品也产生了很多不良反应,包括脂肪营养不良、脂肪萎缩、胰岛素过敏和胰岛素抵抗等。这些不良反应,有一些可能是因为动物胰岛素和人类胰岛素序列不同导致的免疫原性造成的,有些纯粹就是因为从动物中提取的胰岛素纯度不够造成的。随着制药公司不断地加大投入,动物胰岛素的纯化技术变得越来越先进,动物胰岛素的纯度也越来越高,到最后,因为动物胰岛素的纯度不够导致的不良反应已经不常见了。

但是又出现了另一个问题,那就是动物胰岛素的生产量已经快赶不上患者的需求量了。在当时,需要屠宰约26000头动物,才能获得约9000斤胰腺,从9000斤胰腺里,才能提取出1斤的胰岛素。为了满足美国糖尿病患者日益增长的需求,光礼来公司自己每年就至少需要5600万头动物的胰腺。这一切都指向一个方向,那就是:需要开发新技术大量制造人胰岛素用于糖尿病治疗。

礼来公司在1976年5月召集了一个会议来讨论这个问题。有三个后来竞争解决这一问题的团队参加了这次会议,一个是1976年4月刚成立的小公司Genentech(基因泰克)团队;另一个是自加州大学旧金山分校(UCSF)的团队,由William Rutter领导;还有一个团队来自哈佛大学,团队领导是Walter Gilbert,他在1980年和Sanger因发明DNA测序法而获得诺贝尔化学奖。最后,只有12名员工的Genentech公司神奇般地取得了胜利。他们成功的基础,是三项诺贝尔奖级的技术和突破,一项是核酸合成技术(Lord Todd ,1957年诺贝尔化学奖),一项是遗传密码的破译(Marshall Nirenberg/Gobind Khorana,1968年诺贝尔生理学或医学奖),还有一项是DNA重组技术(Paul Berg, 1980年诺贝尔化学奖)。而Genentech成功的秘密武器,则是他们选择使用的DNA化学合成方法。

基因泰克人胰岛素团队。黑板上画的表解释了他们如何利用大肠杆菌的遗传密码制造出人胰岛素。图源:https://hr.caltech.edu/news/caltech-mourns-the-loss-of-art-riggs-phd-66

因为是要用生物表达技术制备人胰岛素,很自然的,加州大学和哈佛大学决定采用全生物技术,通过信使RNA(mRNA)获取人胰岛素原(proinsulin)的互补DNA(cDNA),然后将其引入表达载体进行人胰岛素原的大量制备,最后使用蛋白酶将人胰岛素原的C 肽切除后转化为胰岛素。这种方法最大的门槛就在第一步。因为胰岛素仅在胰腺中产生,而使用人类胰腺进行研究并不实际,因此这两个团队只好使用鼠类的胰腺或细胞进行开发。由于当时对于类似工作的恐惧和限制,加上将mRNA转化为cDNA的方法刚刚被开发出来,还非常不完善,中间还出现了基因被鼠类基因污染的问题,因此这两个团队的研发进度都非常缓慢,导致在竞争失败。

反观初生牛犊Genentech,则是拥有无敌的“新手光环”,不仅研发设计非常有章法,而且研发结果的获得也犹如有魔法护体。首先,投资人虽然极不情愿,但是还是听取了技术人员ArthurRiggs的建议。没有从一开始就专注于胰岛素,而是从一个更小的分子,生长抑素(somatostatin)开始。生长抑素只有14个氨基酸,因此DNA的化学合成相对简单,另外生长抑素中也含有一个二硫键,可以很好的模拟胰岛素的生物合成情况。实际结果也和他们预测的一样,他们仅用了一年时间,就成功地从大肠杆菌中表达获得了生长抑素。在这个过程中,他们不但发现和解决了大量未曾预见的问题,而且首次证明了其生物技术的可行性,让公司在信心满满、充满斗志的同时,又顺利地筹集了一轮资金,为人胰岛素的制备做好了充足的准备。

Genentech人胰岛素项目的研发也是顺风顺水。他们也是只用了一年时间,就在1979年8月首次获得了大肠杆菌表达的人胰岛素。他们没有像其他团队那样,采取胰岛素原的方法,而是采用了先用大肠杆菌分别表达人胰岛素的A链和B链,然后再在空气中氧化,将A链和B链连接在一起生成胰岛素的方法。这个方法虽然在开始的时候产率不高,但是经过优化,最终还是获得了很好的产率。在同一个月里,他们就和礼来公司达成了合作商品化协议,并一块儿在1982年让人胰岛素药物成功上市。

人胰岛素的开发成功让人振奋,但是胰岛素药物的进化并没有因此停滞,而是在新技术的推动下,加快了进化的速度,多个人胰岛素的兄弟(类似物)被开发出来,用于更好地满足糖尿病患者的需求。

这些类似物的开发主要是解决胰岛素药物的注射给药方式带来的问题。重组人胰岛素的成功虽然解决了一些和胰岛素短缺以及免疫原性等相关的问题,但是人胰岛素的药代动力学特征也不理想。在皮下注射给药后,它也并不能很好地模仿人体健康的胰腺分泌的胰岛素发挥作用的方式,即在不吃饭的时候,保持一个很低的基础浓度,但在吃饭的时候,浓度能够迅速上升,从而使血糖水平变化幅度很小。

赖脯胰岛素(Insulin lispro)是最早上市的人胰岛素类似物。它是一种速效胰岛素,主要模仿人体内胰岛素快速发挥作用的特点。它是由礼来公司开发的药物,在1996年首次在美国获得批准。它和人胰岛素的区别在于它通过重组DNA技术,把B链上的赖氨酸和脯氨酸顺序互换了一下。紧随其后的是诺和诺德在2000年上市的速效胰岛素门冬胰岛素(Insulin aspart)。它是通过重组DNA技术将B链上的脯氨酸换成天冬氨酸获得的。4年后,另一种快速胰岛素,谷赖胰岛素(Insulin glulisine)由赛诺菲开发上市。它氨基酸序列的改变方式是将B链上的天冬酰胺和赖氨酸分别改为赖氨酸和谷氨酸。

而为了模仿人体内胰岛素的基础浓度,各大制药公司也纷纷开发了缓慢释放的人胰岛素类似物。2000年,赛诺菲获批了开发的甘精胰岛素。它是一种长效胰岛素,可以以低浓度缓慢释放约24小时。和人胰岛素不同,它的A链的天冬酰胺被替换为了甘氨酸,同时,它的B链末端增加了2个精氨酸。随后,在2004年,诺和诺德开发上市了地特胰岛素(Insulin detemir)。在皮下注射后,它也可以在长达24小时内维持人体低浓度的胰岛素。它的结构改变主要是在B链的赖氨酸连上了一个脂肪酸肉豆蔻酸。诺和诺德在2016年还开发一种超长效胰岛素,德谷胰岛素(Insulin degludec),作用时间可以长达40小时。它是通过在人胰岛素的B链赖氨酸上连上一个十六烷二羧酸获得的。

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胰岛素在中国





胰岛素在中国的名气可能要比在其它国家大很多,毕竟结晶牛胰岛素的人工全合成作为建国以来重大科技成就的生物技术代表之一,光荣地出现在了历史课本上。

人工全合成牛胰岛素这个项目是在竞放“科学卫星”的1958年由中国科学院生物化学研究所(生化所)提出的。开始设定的完成时间需要20年左右,后来在高涨的研究热情激励下改为了5年左右。由于当时世界上还没有任何人做过这么大的生物分子合成,为了练兵,同时也是为了检测项目的可行性,生化所和北京大学(北大)团队先试着做了一遍du Vigneaud在1953年报导的催产素合成。催产素合成的成功,让两个团队在多肽的合成过程、分析方法和鉴定难度等方面获得了很好的实地体验和第一手资料。

合成牛胰岛素的提议很快就被列入了中国 1959 年的战略性研究计划。为了完成这个计划,科研人员必须要解决几个关键性的大问题:一是解决合成所需要的最基本的原料氨基酸的来源问题;二是解决氨基酸的保护和无消旋缩合问题;三是解决合成肽段的无损伤脱保护问题;四是解决胰岛素的折叠问题;五是解决合成胰岛素的结晶和鉴定问题。这几个关键问题的困难程度有大有小,但大多数都有前人的研究经验可循,唯有胰岛素的折叠问题是一个令人望而生畏的全新问题。因为在过去的研究中,还没有人能够将胰岛素的A链和B链拆开后,再通过二硫键的生成将它们合起来折叠成有具有一定活性的分子。

邹承鲁领导的折叠团队主要负责这一问题。在开始的时候,没有人敢预测他们能不能成功。好在有天然的牛胰岛素可以用来练手,同时又有无敌“新手光环”的加持。在折叠测试工作开始后不久,在1959年春,年轻的学生杜雨苍等人就成功地将天然来源的牛胰岛素完全拆开成了A链和B链,并通过筛选、优化获得了温和的空气氧化条件,将拆开的A链和B链成功的连在了一起,折叠出了具有0.7-1% 的生物活性的分子。在此后,折叠团队继续努力,在1960年,将活性恢复百分比提高到了5-10%;在1964年,更是将其提高到了30-50%。这些实验结果,既说明牛胰岛素的合成可以使用汇聚式的方法完成,也就是先合成A链和B链,再连接折叠的方法,也说明,虽然6个半胱氨酸随机组合成3个正确的二硫键的概率非常低,但是在合适的条件下,牛胰岛素的A链和B链能够按照天然的方式自动折叠成正确的结构。

邹承鲁团队的牛胰岛素折叠结果是一个具有非常重大的理论意义和实用意义的结果。它和美国Christian Anfinsen研究团队在1961年发表的蛋白质折叠结果高度一致。在1961年的文章中,Anfinsen发现核糖核酸酶可以在还原变性后,在合适的条件下,重新生成二硫键,完成折叠,恢复原有的活性。他把这一结果总结为蛋白质的一级结构决定高级结构,并因此获得了1972年的诺贝尔化学奖。邹承鲁团队的折叠结果的实用意义在于,在他们报导了优化的结果之后,在很长一段时间内,国际同行都在使用和他们高度类似的方法进行胰岛素的合成,其中就包括Genentech的研究人员。他们早期开发的基于基因重组法进行的人胰岛素生产,就是利用邹承鲁团队开发的空气氧化法实现最终产物的折叠的。

合成的牛胰岛素在老鼠中的测试和显微镜下的晶体。图源:https://www.phsciencedata.cn/Share/wiki/wikiView?id=ab21da54-8bb8-4201-85f2-67167c18bd61

牛胰岛素B链的人工合成在1964年中完成,A链的合成在1965年中完成。正确折叠并结晶的产物在1965年9月获得。小白鼠惊厥实验也几乎在同时完成,证明了合成牛胰岛素的生物活性达到了天然分子的80%。在此后的几个月里,生化所、北大和有机所的研究人员又紧锣密鼓地合成了更多牛胰岛素,进行了包括电泳、层析、酶解图谱和免疫性等方法的检测和比较,这些结果进一步证明合成的分子和天然的分子完全相同。就这样,这项重大科技成就在当时异常艰难的条件下,在7年时间里,耗资几百万,取得了激动人心的成功。

在1966年,Bruce Merrifield也合成了牛胰岛素。在这个合成中,他们也是采用了邹承鲁团队的方法实现的A和B链的正确连接与折叠。不过由于他们使用了新开发的固相合成法,因此这个合成过程仅需要他和一个学生两人就完成了。他也在1984年因为开发了多肽的固相合成技术获得了诺贝尔化学奖。

中国的科研人员虽然从上世纪50年代开始就积极地参与胰岛素的研究工作,但是由于那时生活水平不高,在很长一段时间内,甚至直到80年代初,中国的糖尿病患者的比例都极低,只有不到1%,不是一个需要高度重视的疾病。也许是因为这个原因,在完成牛胰岛素的合成后,大多数研究人员并没有参与到国际上开发胰岛素类似物的研究中。

从90年代开始,中国的经济逐渐开始腾飞,与之相随的是生活水平得到了很大提高,糖和脂肪的摄入量也快速增加,导致糖尿病患者的比例猛增。现在,中国糖尿病患者的比例已高达12%左右。这种快速的增长导致的教育和防治等方面的相对滞后,给很多人糖尿病的治疗带来了诸多问题。针对这个现状,未来中国应该怎样应对?也许在胰岛素方面进行更多的研究和开发,使其能更好地被患者接受,是一个很重要的方向。

在100多年前,Banting和Macleod发现了胰岛素这个当时的“神药”,改变了糖尿病的治疗困境。上世纪80年代后,人胰岛素类似物的开发,带来了胰岛素药物发展史上的又一个高光时刻。类似物按不同方式组合使用,解决了很多以前难以解决的问题,大幅提高了糖尿病患者的生活质量。不知道在第二个100年里,什么时候,在什么地方,会再次发生令人振奋的故事,让胰岛素药物的性能够继续得到大幅改进。当然,我们希望是不久的将来,发生在中国。

作者简介:

刘文强于2015年从中国海洋大学获得学士学位,2021年从中国医学科学院北京协和医学院药物研究所获得博士学位后加入谭忠平课题组担任助理研究员,从事蛋白质糖基化的化学合成和生物学研究工作。

谭忠平于2000年取得北京大学学士/硕士学位,2005年获得美国哥伦比亚大学博士学位,2011年在美国纽约纪念斯隆-凯特琳癌症中心完成博士后研究后,开始在美国科罗拉多大学担任助理教授,2018年,加入中国医学科学院北京协和医学院药物研究所。

参考资料:

[1]L Rosenfeld,Insulin: discovery and controversyl, Clin Chem, 2002, 48(12):2270-88.

[2]JH Murnaghan, P Talalay, John Jacob Abel and the crystallization of insulin, Perspect Biol Med, 1967, 10(3):334-80.

[3]https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/sanger-lecture.pdf

[4]https://www.nasonline.org/publications/biographical-memoirs/memoir-pdfs/du-vigneaud-vincent.pdf.

[5]VS Harrison, MH Khan, CE Chamberlain, DM Harlan, The Noble and often Nobel role played by insulin-focused research in modern medicine, Diabetes Care, 2022, 45(1):23-27.

[6]RE Chance, BH Frank, Research, development, production, and safety of biosynthetic human insulin, Diabetes Care, 1993, Suppl 3:133-42.

[7]AD Riggs, Making, cloning, and the expression of human insulin genes in bacteria: The path to humulin, Endocr Rev, 2021, 42(3):374-380.

[8]生命科学, 2015年, 第27卷 第6期.


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