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从合成牛胰岛素到基因重组人胰岛素

来源:科技日报 作者: 2009-9-17
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摘要: 蛋白质研究一直被喻为破解生命之谜的关节点,人们如能解决人工合成蛋白质的问题,不仅对深入了解生命现象与活动规律有重大意义,还可以为人类的生产实践开辟新天地。正是基于这样的理念,44年前,我国科学家在落后的科研条件下,靠着智慧、协作和奉献的开拓精神,在人工合成牛胰岛素方面为世界科技写下了浓墨重彩的一笔。......


        蛋白质研究一直被喻为破解生命之谜的关节点,人们如能解决人工合成蛋白质的问题,不仅对深入了解生命现象与活动规律有重大意义,还可以为人类的生产实践开辟新天地。正是基于这样的理念,44年前,我国科学家在落后的科研条件下,靠着智慧、协作和奉献的开拓精神,在人工合成牛胰岛素方面为世界科技写下了浓墨重彩的一笔。44年后,具有非常“亲缘关系”的基因重组人胰岛素在我国研制成功则被赋予了更多的社会和经济效益。  



  2008年10月23日,经过6年建设、累计投资7亿元、年产3000公斤的通化东宝药业重组人胰岛素冻干粉生产线二期扩建工程,实现一次试车成功并通过国家GMP认证。这不仅标志着通化东宝药业已成为亚洲最大的基因重组人胰岛素生产基地,同时也标志着我国成为了世界上三大重组人胰岛素生产基地之一。



  相对于基因重组人胰岛素,早在44年前,我国在人工合成牛胰岛素领域就已取得了骄人的成绩。



  历史的告白:从零开始描绘的蓝图



  小心翼翼地打开相册,北京大学化学与分子工程学院叶蕴华教授轻轻为记者取出一张张保存完好的老黑白照片,一边告诉记者关于照片的背景,一边感怀着那一场并未走远的记忆。



  在上世纪60年代中期上海有机所的一个实验室里,北大青年教师叶蕴华和她的同事们正在进行一个有趣的实验:为了测试人工合成的牛胰岛素是否具有生物活性,她们将其注入小鼠体内,观察它能否出现预期中的惊厥反应。“跳了!跳了!小白鼠真的跳了!”看着小白鼠的反应,所有在场的研究人员都抑制不住内心的激动,无数次艰难尝试的努力这一刻都化作了初战告捷后的喜悦(见右上图)。



  作为人工合成牛胰岛素课题组的研究人员之一,叶蕴华忘不了之前无数研究者所为之付出的努力。



  蛋白质研究一直被喻为破解生命之谜的关节点。上世纪50年代,蛋白质是世界生物化学领域研究的热点。1958年,英国生物化学家桑格因为破译出由17种51个氨基酸组成的两条多肽链牛胰岛素的全部结构而荣获该年度的诺贝尔化学奖。这是人类第一次清楚一种重要蛋白质分子的全部结构。



  既然牛胰岛素的全部结构已经清楚,那么能不能用化学方法合成它呢?我国科学家看到了新的研究方向。



  “当时有许多科学家认为,蛋白质与核酸两类生物大分子体现生命的物质基础,蛋白质是生命活动的主要承担者,它调节生长、发育、繁殖代谢和行为等生命过程。人们如能解决人工合成的问题,乃至创造出不存于自然界的蛋白质‘变种’,不仅对深入了解生命现象与活动规律有重大意义,还可以为人类的生产实践开辟出新的天地,在生命科学研究的漫长道路上树立一块重要的里程碑。”采访中谈及人工合成牛胰岛素项目的提出背景和意义,作为该项目一个重要的研究人员,中国科学院上海生物化学研究所研究员、中国科学院院士龚岳亭这样告诉记者。



  从1958年开始,中国科学院上海生物化学研究所、中国科学院上海有机化学研究所和北京大学化学系三个单位联合,以钮经义为首,由龚岳亭、邹承鲁、邢其毅、汪猷等人共同组成一个协作组,在前人对胰岛素结构和肽链合成方法研究的基础上,开始探索用化学方法合成胰岛素。而当时作为北京大学化学系的一名学生,叶蕴华有幸加入了这个研究队伍。



  尽管在当时,胰岛素作为世界上最小的蛋白质分子,其氨基酸排列顺序的全部结构已被阐明,但作为一种蛋白质分子,它有特殊的空间构象,一旦特定构象遭到破坏,蛋白质就会变性,并随之丧失生物活性。    



  “因此人工合成胰岛素不仅要完成氨基酸的正确排序,还要求正确排序后的肽链能够自然地折叠卷曲成与天然胰岛素同样构象的生物活性分子,形成同样的结晶,表现相同的活力。这在当时是一项难度很高的基础研究课题。”龚岳亭院士说。



  相对于这项课题的“高难度”,研究小组的物质、人才和装备却显得“低水平”。“我们国家当时在科研的物质、人才和设备方面都相当落后,连合成蛋白质最基本的物质——氨基酸国内都没有。”如今已是北大博士生导师的叶蕴华教授很是感慨,“当时国内只有一两位科研人员具有初步合成仅含9个氨基酸的催产素经验,而其他方面连一整套蛋白质、多肽纯化和分析的技术都不完整,更别提氨基酸自动分析仪了。”



  七年攻坚:从无到有的协作开拓



  困难并没有把这样一群立志在中国最早合成蛋白质的科学家吓倒。经过周密研究,他们确立了合成牛胰岛素的程序。第一步,先把天然胰岛素拆成A、B两条链,再把它们重新合成为胰岛素;第二步,用人工合成的B链同天然的A链相连接;第三步,把人工合成的A链与人工合成的B链相结合。



  研究的程序虽然确立了,但随之而来的困难却不小。经过还原、分离纯化之后的胰岛素A链和B链是否能重新组合形成天然的胰岛素分子?此前世界上其他国家的同行都认为这条路行不通。



  经过科学论证,生化所采取“全面准备,多路探索,上下并举,重点突破”的方针,制定出五路进军的具体措施。以天然胰岛素的二硫键拆合和氨基酸生产为先行,多肽化学合成为主力,同时建立与改善肽的分离、纯化与分析技术,并探索肽的激活(磷酸化)与酶促转肽等生化途径。



  1959年初,生化所由钮经义、沈昭义、龚岳亭几位科研骨干组织有关人员,在较短时间内结束了国内不能自制整套氨基酸的历史,保证了胰岛素合成工作的顺利进行,并创办了生化所东风厂,供应全国包括氨基酸在内的生化试剂。



  叶蕴华教授说:“正是由于这项研究促成了东风厂的创办,这为我国以后的生化研究奠定了良好的物质基础。”



  为了加快胰岛素工作的进度,北大化学系的领导让本该1960年7月才毕业的叶蕴华和其他十余个同学在4月份提前毕业。



  但由于全国经济形势的原因,1960年底至1963年8月,胰岛素合成工作处于低谷,院所之间的合作也暂时结束。全国经济形势好转一些以后,1963年8月中科院在青岛举行了一次全国性的天然有机化学学术会议。在这个会议上,北大化学系的代表和上海有机所、生化所的代表各自汇报了自己在胰岛素合成方面的研究成果,结果发现对方还在继续研究这一课题。于是,在国家科委领导撮合下,北京大学化学系考虑再次和上海有机所合作。



  叶蕴华回忆说:“当时因为考虑到上海和北京之间还是有一定的距离,合作起来不是很方便,所以就决定让我们北大这边几个青年教师直接去上海,跟他们生化所的人一起搞研究。”



  于是,1964年初,北大化学系的陆德培、李崇熙、施溥涛、季爱雪和叶蕴华等五位教师开赴有机所,和有机所的研究小组一道工作。



  合成成功:生命的奥秘已然打开



  在上海的日子是枯燥而辛苦的。“到了上海以后没有周六、周日,每天都在夜以继日的工作。”但这样的辛苦对叶蕴华和她的同事们来说不算什么,最难受的是看不到工作的进展。



  “人工合成(牛)胰岛素,最关键的就是合成路线的制定。但是由于当时的技术所限,加上国际上也没有成功的先例,完全要靠自己摸索,所以合成的过程中遇到了很多问题。”对当年的情形,叶蕴华记忆犹新。



  不过,问题只是暂时的。经过大家的努力和协作,困难还是迎刃而解了。1965年9月17日,研究小组完成了结晶牛胰岛素的全合成。经过严格鉴定,它的结构、生物活力、物理化学性质、结晶形状都和天然的牛胰岛素完全一样。



  “这是世界上第一个人工合成的蛋白质,为人类认识生命、揭开生命奥秘迈出了可喜的一大步。”叶蕴华的语气中透露出一种难以遮掩的自豪。



  龚岳亭院士说:“由于蛋白质和核酸两类生物大分子在生命现象中所起的主导作用,人工合成了第一个具有生物活力的蛋白质便突破了一般有机化合物领域到信息量集中的生物大分子领域之间的界限,在人类认识生命现象的漫长过程中迈进了重要的一步。”



  “人工合成胰岛素是科学上的又一次飞跃,它标志着人工合成蛋白质时代的开始,是生命科学发展史上的一个重要的里程碑。胰岛素全合成工作第一次有效地完成了由两条肽链组合成硫硫键正确配对的蛋白质。这一实验强有力地证明:只要氨基酸排列正确,在很大程度上会自然形成α螺旋、β转角等结构以及盘曲折叠成具有生物活力的蛋白质。也就是说,蛋白质的一级结构在很大程度上可以决定其特定的空间结构,这一研究发现具有深远意义。”



  1965年11月,这一重要科学研究成果首先以简报形式发表在《中国科学》杂志上,并于1966年4月全文发表。1966年12月27日,毛主席73岁生日的第二天,《人民日报》发表社论,宣布“我国在世界上第一次人工合成结晶胰岛素”,引起了世界的极大轰动。



  尽管有人认为人工合成胰岛素在今天看来没有太多的现实意义,但通过胰岛素的人工合成工作,我国整个多肽领域都被带动发展了起来。与人工合成结晶牛胰岛素所承载的历史意义相比,44年后,具有非常“亲缘关系”的基因重组人胰岛素被赋予的则是更多的社会和经济效益。



  自主创新:让人胰岛素依赖进口的历史结束



  资料显示,我国已有3000万以上的糖尿病患者,而且正以每年10%的速度增加。作为治疗糖尿病最重要的药物之一,人胰岛素因其结构和纯度有着比动物胰岛素更确切的疗效,成为糖尿病人的首选。而过去,世界上只有美国和丹麦可以生产人胰岛素,我国则一直依赖进口。



  为了改变临床上使用动物胰岛素和进口人胰岛素的状况,通化东宝药业的技术人员应用90年代最新的分子伴侣理论,历经三年的努力,于1998年成功研制、开发出具有自主知识产权的基因重组人胰岛素,使我国成为世界上第三个能够生产基因重组人胰岛素的国家。



  提及当初研发人胰岛素的缘由,通化东宝集团董事长李一奎说:“这个产品是治疗糖尿病的特效药,当时我国没有,一直要从国外进口,如果我们自己开发不出来就会一直受制于人。”



  而生物专业出身的李一奎,一直想在这一领域做出点新产品,于是不愿“受制于人”的他最后选择了做基因重组人胰岛素。



  从1995年开始进行基因重组人胰岛素的研发,到1998年研制成功第一个基因重组人胰岛素产品,再到如今的大规模产业化生产,通化东宝药业走过了艰难的历程。



  为了把基因重组人胰岛素研制成功,李一奎为此烧了12年的钱,他把创业头些年挣的钱基本都投到这里了。用他的话说“这一产品是顶着压力做起来的”。在他看来,“搞自主创新,必须耐得住寂寞。”



  而自主创新为“耐得住寂寞”的李一奎带来了丰厚的回报:自1998年研制出我国第一支基因重组人胰岛素制剂,不仅结束了我国基因重组人胰岛素完全依赖进口的历史,而且产品还大量出口国外。如今,东宝药业的基因重组人胰岛素的品种和剂型,在世界上都是最齐全的,令外国同行刮目相看。



  从  2001年至今,通化东宝人胰岛素冻干粉和制剂实现出口创汇近4000万美元,其基因重组人胰岛素系列产品已在俄罗斯、波兰、墨西哥、巴西、乌克兰等20多个国家进行了注册认证。我国基因重组人胰岛素的研制成功,已经创造出了越来越显著的社会及经济效益。



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  何为胰岛素



  在人体十二指肠旁边,有一条叫做胰的长形器官。在胰腺中散布着许许多多的细胞群,叫做胰岛。胰岛素就是由胰岛β细胞受内源性或外源性物质如葡萄糖、乳糖、胰高血糖素等的刺激而分泌的一种蛋白质激素。胰岛素是机体内唯一降低血糖的激素,也是唯一同时促进糖原、脂肪、蛋白质合成的激素。



  对生长来说,胰岛素也是不可缺少的激素之一。胰岛素一方面促进细胞对氨基酸的摄取和蛋白质的合成,一方面抑制蛋白质的分解,因而有利于生长。



  体内胰岛素的生物合成速度主要受以下因素影响:1.血浆葡萄糖浓度,这是影响胰岛素分泌的最重要因素。血浆葡萄糖浓度升高,胰岛素分泌也增强。2.进食含蛋白质较多的食物后,血液中氨基酸浓度升高,胰岛素分泌也增加。3.进餐后胃肠道激素增加,可促进胰岛素分泌。4.神经功能状态可影响胰岛素分泌。迷走神经兴奋时促进胰岛素分泌;交感神经兴奋时则抑制胰岛素分泌。



  不同种族动物(人、牛、羊、猪等)的胰岛素功能大体相同,但成分稍有差异。按来源不同,胰岛素可以分为:1.  动物胰岛素。从猪和牛的胰腺中提取,两者药效相同,但与人胰岛素相比,猪胰岛素中有1个氨基酸不同,牛胰岛素中有3个氨基酸不同,因而易产生抗体。2.  半合成人胰岛素。将猪胰岛素第30位丙氨酸,置换成与人胰岛素相同的苏氨酸,即为半合成人胰岛素。3.  生物合成人胰岛素。利用生物工程技术,获得的高纯度的生物合成人胰岛素,其氨基酸排列顺序及生物活性与人体本身的胰岛素完全相同。



        讲述



  协作和奉献是那个时代的特点



  1964年初,北京大学化学系的陆德培、李崇熙、施溥涛、季爱雪和我五位教师奔赴上海有机所,和有机所的研究小组一道工作。



  那时,我刚结婚不久,而季爱雪的孩子也只1岁多,都不舍得离开自己的家人和孩子呢。



  我们又何尝希望跟自己的家人和孩子分开呢?但当时领导提出让我们几个去上海做实验时,谁都没有找借口说不去。那个时候的人真的特别讲奉献,只要工作需要,把自己的小家丢一边就去了。



  为了让我国成为世界上第一个人工合成胰岛素的国家,大家夜以继日的工作。有一位老师因为连续几天没有休息,测熔点时打瞌睡,把头发也给烧了。



  不仅是我们这样,当时整个社会风气都是这样。协作和奉献是我们那个时代的特点。如果没有协作和奉献精神,人工合成胰岛素在当时的条件下可能只是南柯一梦。胰岛素人工合成的成功是靠了大家的协作和奉献,是集体的智慧和功劳,而我只是很有幸的成为了这个项目研究中的一员。



  当时在上海搞研究时有一件趣事。那时A链已经人工合成完成了,拿来跟B链接合。合了一次不行,结果证明没有活力。负责A链合成这边的汪猷认为生化所的B链可能有问题,叫他们把B链搞好了再拿来合。可生化所的人不服气,坚持认为B链没问题。汪猷怕浪费不多的A链材料,不肯继续往下做,双方就这么耗着。那时学校刚好放暑假了。李崇熙家在北京,我也在北京成了家,季爱雪也想念在北京的孩子,都想回家去。于是我们说,既然不行,那我们回北大休息啦。走之前,负责人跟生化所打招呼,说我们就要走了。那边一看我们要走,提出是不是再试一次?后来由协作组出面跟汪猷说希望能再试一次,如果不行,那么我们就回去了。汪猷答应再试一下,就又给了一点点A链的材料。这一次拿来一试,居然行了,有活力了。于是大家干劲又来了,就再加大量接着往下做了。



  (讲述人:北京大学化学与分子工程学院博士生导师叶蕴华)



  记者手记



  辗转联系上了上海生物化学研究所的龚岳亭院士。电话接通的那一刻,我有些踌躇,担心采访会冒昧地打搅到龚老的安宁。然而这种不安很快就被化解了。龚老的语气慈祥而和蔼,采访也变得放松起来。



  已经81岁的龚老说话久了还是显得有些费劲。考虑到他的身体状况,我将采访略去很多。龚老却很抱歉地对我说,由于年事已高,他所回忆的内容恐怕会不准确,他会请生化所的秦老师将他以前所写的比较准确的内容转交给我。



  让我没有想到的是,龚老给我的这份资料竟然是2000年5月31日中国科学院上海生物化学研究所向中国革命博物馆捐赠的人工全合成牛胰岛素研究工作的部分档案。而为了给我这份资料,龚老请秦老师把全部档案汇编扫描成电子文件,由于文件太大无法从邮件传送,就专门刻录成光盘托人转交到我手中。握着这张珍贵的光盘资料,我很感动。

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