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王志珍:蛋白质科学发展中鲜为人知的故事

美国科学家Christian Anfinsen因对核糖核酸酶,特别是对其氨基酸序列与生物活性构象之间的联系的研究获1972年诺贝尔化学奖。与此同时,地球另一端的中国,正处于一个百废待兴的社会大发展时期。1966年,中国科学家历时7年时间首次人工全合成了具有全部生物活性的结晶牛胰岛素,从而为人类在蛋白质科学研究中跨出了重要一步,极大鼓舞了中国科技界的志气,振奋了民族精神,是中国人民在攀登世界科技高峰征程上的一座里程碑。

来源 | 结构生物学高精尖创新中心

“很多人经常把这件事情说成是中国人跟诺贝尔奖擦肩而过、失之交臂的一项工作。” 距离中国首次人工全合成具有全部生物活性的结晶牛胰岛素已经50余年过去了,半个世纪后的今天,2021年6月19日,中国科学院生物物理研究所王志珍教授做客清华大学结构生物学高精尖创新中心《科学大家谈》讲座,为大家讲述了上世纪60年代中国科学家在人工全合成胰岛素的创举中,一个鲜为人知的科学故事。清华大学人事处处长、结构生物学高精尖创新中心执行主任王宏伟教授主持了本次讲座。

王志珍院士

王志珍院士在上世纪70年代中期参与了中国胰岛素研究的“第三战役”―― 胰岛素结构与功能关系研究。她在蛋白质折叠、折叠酶和分子伴侣;胰岛素A、B链相互作用及重组等研究中做出了重要贡献。尽管已是鹤发苍苍,年近“杖朝之年”(80岁),王院士依旧精神矍铄,吐字慷锵。报告中,她向大家详细讲述了在当时特定的社会条件下,于激烈的国际竞争中,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以及北京大学化学系三大单位的科研人员完成人工全合成结晶牛胰岛素工作的曲折、艰辛历程,特别点出了合成工作中最具原创性的蛋白质折叠问题。

王宏伟教授

01 “合成一个蛋白质”

“合成一个蛋白质”,1958年,中国科学院上海生物化学所为了向国庆十周年献礼,决定做一个有分量的项目。“这的确非常有分量,因为当时世界上没有成功的先例。”王志珍院士讲述到。有那么多蛋白质,合成哪一个?摆在中国科学家面前的选择其实只有一个:胰岛素。“因为胰岛素是当时唯一一个氨基酸序列已知的蛋白质。它的序列是1955年由英国科学家F. Sanger测定的,他也因此获得了1958年的诺贝尔奖。”

尽管合成蛋白质有一定的科学基础,但当时面临的困难也非常大。即使根据正确的一级结构合成了胰岛素的正确多肽链,它们能否得到正确的三维结构,从而变成有生物活性的蛋白质,还不得而知。而且,当时的中国还没有合成多肽的经验,这项工作具体有多难,谁也不知道,甚至,当时连合成蛋白质的氨基酸原料和各种必需有机试剂中国也基本没有。尽管困难重重,1958年12月底,我国的人工合成牛胰岛素课题在备受关注中正式启动了。

02 “变不可能为可能”

胰岛素是人和动物的胰脏中分泌的一种蛋白质激素,也是机体内具有调节糖代谢功能的重要激素,糖尿病患者可以通过注射胰岛素降低血糖。胰岛素分子有51个氨基酸残基,但由两条肽链组成,并含有多对二硫键,“这样特殊的性质,恰恰给胰岛素的合成制造了一个瓶颈,埋伏着当时完全不清楚的蛋白质折叠问题。”

在众多可能的合成路线中,根据当时的知识、技术和物质条件,选择了“先分别合成A链和B链,然后把两条链连接成胰岛素”。这个方案的关键是“合成的A链和B链能不能连起来,成为有活性的天然胰岛素分子。” 上海生化所的邹承鲁小组担任了解决这个关键问题的任务,即“胰岛素拆合”工作,即把天然胰岛素的二硫键还原,拆成分开的 A链和B链,之后再去寻找条件把分开的A链和B链重新组合成为天然的有活性的胰岛素。

“拆跟合,听起来简单,但其实实在是太困难了。”据当时已有知识来看,在过去的大约三十年中,不少人曾多次进行过重新组合实验,每次得到的都是否定结果。于是胰岛素的研究者普遍认为,一旦胰岛素的二硫键被拆开,就不可能让其重新恢复活性。

会议现场

“然而一年多以后,邹承鲁小组居然找到了一组条件,使得他们从分开的A链和B链得到天然胰岛素的概率,从0.7%提高到1%,再提高到5%,最后竟然到了10%,可以说重组取得了成功,他们圆满地完成了任务。”

邹承鲁先生当年35岁,而他的小组成员都比他年轻,有些甚至是刚刚毕业的大学生。就是这样一个年轻的团队,“变不可能为可能”。这项研究不仅指导和解决了胰岛素合成的路线问题,而且还在一定意义上提前保证了胰岛素合成的最后一步工作。但鉴于当时的国际环境,基于保密考虑,邹承鲁小组的工作并没有在国际上发表。与此同时,美国和德国的实验室也在进行胰岛素的人工合成工作。一年以后(1960年)加拿大科学家在《自然》杂志上发表了类似的工作,但产率只有1%-2%,“所以中国人的这项工作在国际上是领先的。”

经过7年多的辛勤奋战,1966年,中国科学家人工全合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素,在漫长的国际竞争中,中国科学家终于第一个取得了人工胰岛素结晶!《人民日报》报道了这项伟大的研究成果。

“在理论上几乎得不到的情况下,为什么邹承鲁小组能够得到相当高产率的天然胰岛素呢?”当时他们总结的原因是:“在所有可能的重氧化产物当中,胰岛素结构还是一种比较稳定的结构,甚至在各种AB异构物之中,还是最稳定的结构之一。”也就是说在那个时候,他们就已经认识到了天然结构是最稳定的。

03 “蛋白质的一级结构决定高级结构”

同一时期(1961年5月),美国科学家Christian B Anfinsen通过“牛胰核糖核酸酶的变性和复性实验”发表了一项类似但相对简单的工作――拆开单链的核糖核酸酶的四个二硫键,发现它们可以重新链接并以很高的水平恢复酶活性。由此,Anfinsen断言多肽链氨基酸的序列已经含有了其三维结构的全部信息,即“蛋白质的一级结构决定高级结构”。他于1972年获得诺贝尔化学奖。

尽管都是发生在上世纪五六十年代,处理的问题即多肽链中二硫键正确形成的问题也极其相似,不同的是Anfinsen所做的是变性和复性的实验,中国则是拆开和重组的实验。

王志珍院士

“Anfinsen做的是牛胰核糖核酸酶,只是一条链,探究的是4对链内的二硫键。这个情况下,所有可能形成的搭配方式是105种,其中二硫键正确的核糖核酸酶只有一种,所以成功的概率是1/105,就是0.95%。而中国科学家面对的问题是两条链的胰岛素它虽然只有6个半胱氨酸,但是由于两条链可以以不同的比例、不同的方式来组合,因此获得天然胰岛素的概率要小的多。所以中国科学家面对的问题实际上更加复杂。”

Anfinsen的贡献主要在于发现变性还原的核糖核酸酶在去除变性剂和还原剂后可以自发恢复活力,并从中得出了“蛋白质的一级结构决定高级结构”的理论,而中国胰岛素拆、合的成功领先于世界,且提出了类似的结论,但可惜的是鉴于当时的国际国内环境,没能将该成果及时发表出来。1978年,人工合成胰岛素正式获得诺贝尔奖提名,虽最终与奖项失之交臂,但工作的理论价值和科学意义则广受关注。1982年7月,国家自然科学奖在断评20多年后再度开评,将人工合成胰岛素工作评选为“国家自然科学”一等奖。

会议现场

04 吴宪与第一个蛋白质变性理论(1931)

此外,王志珍院士还介绍了吴宪先生与第一个蛋白质变性理论的故事。蛋白质变性学说对于研究蛋白质大分子的高级结构有重要价值,该理论为世界生物化学界广泛接受,并成为当前国际上蛋白质变性和蛋白质折叠研究的基础。吴宪先生在1929年波士顿召开的第13届国际生理学会上,正式提出了蛋白质变性学说,他认为天然蛋白质分子不是一条长的直链而是一个紧密的结构。这种结构是借肽键之外的其他键,实现肽链的不同部分的相互作用,所以容易被物理及化学的力所破坏,即从有序的折叠排列形式变成不规则及松散的形式。1931年用英文正式发表于《中国生理学杂志》。

后来在1995出版的《Advances in Protein Chemistry》丛书(蛋白质研究领域国际上最具权威性的综述性丛书)第 47卷上发表了美国哈佛大学教授,著名生物化学家J.T. Eddsall教授的文章《吴宪与第一个蛋白质变性理论(1931)》(Hsien Wu and the First Theory of Protein Denaturation,1931)。他对吴宪先生的学术成就给予了极高的评价。

一篇在1931年发表的论文居然在1995年仍然值得在国际一流丛书上重新全文刊登,不能不说是国际科学界的一件极为罕见的大事。为此,邹承鲁和王志珍两位教授在1996年发表了一篇《立足国内, 走向世界――从吴宪教授六十四年前一篇论文的重新发表谈起》的评述文章。

“在90年代初期,对吴宪先生在世界范围内对生物化学做出的重大贡献,很多人并不熟悉。我也是在1993年,中国生物化学学会第六次全国代表大会期间才了解到吴宪先生的贡献。”王志珍教授讲到。在那次大会上,为纪念吴宪先生诞辰100周年举行了蛋白质变性专题讨论会,邀请吴宪教授之子、美国康奈尔大学生物化学系教授、著名生物化学家吴瑞先生介绍了其父一生的主要业绩。

“吴宪先生这一重大贡献,从实验到理论,与结晶牛胰岛素的人工全合成一样,全部都是在国内实验室完成的。”

会议现场

05 尾 声

报告的最后,针对学生提出的“对于新时代国际科研环境的评价和科研人员的评价”,“如何打好科研基础”,“当年胰岛素的合成是否有运气的存在?”等问题,王志珍教授一一进行了详实的解答。期间,王志珍院士强调“学生一定要有质疑精神,要敢于提出问题,才能碰撞出思想的火花、才能相互促进。我认为提问题也是做科研必要的素质”。针对学生们普遍关心的国际科研环境问题,王志珍院士认为:“当前国际形势严峻,但不管国际政治关系如何,要相信我们政治家的智慧和能力。另一方面,人民外交极其重要,必须要坚持国际学术交流,青年科学家尤其要努力建立广泛国际联系。”此外,对于如何打好科研基础,王志珍院士强调了“数理化”的重要性,“对大学生来说,数理化必须要学好,这些学科是基础。同时学生们也要尽可能拥有更广泛的知识面。”

现场提问

放眼国际,新一轮科技革命和产业变革加速演进,基础研究和原始创新加快突破。科学探索不断向宏观拓展,向微观深入,交叉融合汇聚不断加速。基础研究到产业化的周期越来越短,界限日趋模糊,创新链与产业链的衔接越来越紧密。一些基本科学问题孕育重大突破,可望催生新的重大科学思想和科学理论,产生颠覆性技术,进而引发世界经济格局和产业分工的重大深刻调整。此时,再谈上世纪60年代“人工全合成结晶牛胰岛素”那段波澜壮阔的历史,无疑可增强我国攻坚克难、勇攀科学高峰的信心和决心。历史的车轮已向我们证明唯有勇立世界科技创新潮头,加强基础研究和原始创新,提升国家科技整体实力和发展潜力,才能赢得发展主动权。

与会人员合影

嘉宾介绍

王志珍,中国科学院生物物理研究所研究员、生物化学与分子生物学家、中国科学院院士。1959-1964年在中国科学技术大学生物物理系学习,毕业后分配到中国科学院生物物理研究所,做研究工作至今。上世纪70年代中期参与中国胰岛素研究的“第三战役”―― 胰岛素结构与功能关系研究。从1979年开始,获洪堡奖学金在西德的德国羊毛研究所,Fogarty奖学金在美国国立健康研究院等多个单位做访问研究。80年代参加邹承鲁先生主持的“胰岛素A、B链相互作用及重组研究”。90年代在国内开拓了蛋白质折叠中分子伴侣和折叠酶研究的新领域。研究组目前集中在内质网蛋白质质量控制、氧化还原稳态维持及其与疾病关系的研究。

本文经授权转载自微信公众号“结构生物学高精尖创新中心”。