王志珍：蛋白質科學發展中鮮爲人知的故事
美國科學家Christian Anfinsen因對核糖核酸酶，特別是對其氨基酸序列與生物活性構象之間的聯繫的研究獲1972年諾貝爾化學獎。與此同時，地球另一端的中國，正處於一個百廢待興的社會大發展時期。1966年，中國科學家歷時7年時間首次人工全合成了具有全部生物活性的結晶牛胰島素，從而爲人類在蛋白質科學研究中跨出了重要一步，極大鼓舞了中國科技界的志氣，振奮了民族精神，是中國人民在攀登世界科技高峰征程上的一座里程碑。
來源 | 結構生物學高精尖創新中心
“很多人經常把這件事情說成是中國人跟諾貝爾獎擦肩而過、失之交臂的一項工作。” 距離中國首次人工全合成具有全部生物活性的結晶牛胰島素已經50餘年過去了，半個世紀後的今天，2021年6月19日，中國科學院生物物理研究所王志珍教授做客清華大學結構生物學高精尖創新中心《科學大家談》講座，爲大家講述了上世紀60年代中國科學家在人工全合成胰島素的創舉中，一個鮮爲人知的科學故事。清華大學人事處處長、結構生物學高精尖創新中心執行主任王宏偉教授主持了本次講座。
王志珍院士
王志珍院士在上世紀70年代中期參與了中國胰島素研究的“第三戰役”—— 胰島素結構與功能關係研究。她在蛋白質摺疊、摺疊酶和分子伴侶；胰島素A、B鏈相互作用及重組等研究中做出了重要貢獻。儘管已是鶴髮蒼蒼，年近“杖朝之年”（80歲），王院士依舊精神矍鑠，吐字慷鏘。報告中，她向大家詳細講述了在當時特定的社會條件下，於激烈的國際競爭中，中國科學院上海生物化學研究所、中國科學院上海有機化學研究所以及北京大學化學系三大單位的科研人員完成人工全合成結晶牛胰島素工作的曲折、艱辛歷程，特別點出了合成工作中最具原創性的蛋白質摺疊問題。
王宏偉教授
01 “合成一個蛋白質”
“合成一個蛋白質”，1958年，中國科學院上海生物化學所爲了向國慶十週年獻禮，決定做一個有分量的項目。“這的確非常有分量，因爲當時世界上沒有成功的先例。”王志珍院士講述到。有那麼多蛋白質，合成哪一個？擺在中國科學家面前的選擇其實只有一個：胰島素。“因爲胰島素是當時唯一一個氨基酸序列已知的蛋白質。它的序列是1955年由英國科學家F. Sanger測定的，他也因此獲得了1958年的諾貝爾獎。”
儘管合成蛋白質有一定的科學基礎，但當時面臨的困難也非常大。即使根據正確的一級結構合成了胰島素的正確多肽鏈，它們能否得到正確的三維結構，從而變成有生物活性的蛋白質，還不得而知。而且，當時的中國還沒有合成多肽的經驗，這項工作具體有多難，誰也不知道，甚至，當時連合成蛋白質的氨基酸原料和各種必需有機試劑中國也基本沒有。儘管困難重重，1958年12月底，我國的人工合成牛胰島素課題在備受關注中正式啓動了。
02 “變不可能爲可能”
胰島素是人和動物的胰臟中分泌的一種蛋白質激素，也是機體內具有調節糖代謝功能的重要激素，糖尿病患者可以通過注射胰島素降低血糖。胰島素分子有51個氨基酸殘基，但由兩條肽鏈組成，並含有多對二硫鍵，“這樣特殊的性質，恰恰給胰島素的合成製造了一個瓶頸，埋伏着當時完全不清楚的蛋白質摺疊問題。”
在衆多可能的合成路線中，根據當時的知識、技術和物質條件，選擇了“先分別合成A鏈和B鏈，然後把兩條鏈連接成胰島素”。這個方案的關鍵是“合成的A鏈和B鏈能不能連起來，成爲有活性的天然胰島素分子。” 上海生化所的鄒承魯小組擔任瞭解決這個關鍵問題的任務，即“胰島素拆合”工作，即把天然胰島素的二硫鍵還原，拆成分開的 A鏈和B鏈，之後再去尋找條件把分開的A鏈和B鏈重新組合成爲天然的有活性的胰島素。
“拆跟合，聽起來簡單，但其實實在是太困難了。”據當時已有知識來看，在過去的大約三十年中，不少人曾多次進行過重新組合實驗，每次得到的都是否定結果。於是胰島素的研究者普遍認爲，一旦胰島素的二硫鍵被拆開，就不可能讓其重新恢復活性。
會議現場
“然而一年多以後，鄒承魯小組居然找到了一組條件，使得他們從分開的A鏈和B鏈得到天然胰島素的概率，從0.7%提高到1%，再提高到5%，最後竟然到了10%，可以說重組取得了成功，他們圓滿地完成了任務。”
鄒承魯先生當年35歲，而他的小組成員都比他年輕，有些甚至是剛剛畢業的大學生。就是這樣一個年輕的團隊，“變不可能爲可能”。這項研究不僅指導和解決了胰島素合成的路線問題，而且還在一定意義上提前保證了胰島素合成的最後一步工作。但鑑於當時的國際環境，基於保密考慮，鄒承魯小組的工作並沒有在國際上發表。與此同時，美國和德國的實驗室也在進行胰島素的人工合成工作。一年以後（1960年）加拿大科學家在《自然》雜誌上發表了類似的工作，但產率只有1%-2%，“所以中國人的這項工作在國際上是領先的。”
經過7年多的辛勤奮戰，1966年，中國科學家人工全合成了具有生物活性的結晶牛胰島素，在漫長的國際競爭中，中國科學家終於第一個取得了人工胰島素結晶！《人民日報》報道了這項偉大的研究成果。
“在理論上幾乎得不到的情況下，爲什麼鄒承魯小組能夠得到相當高產率的天然胰島素呢？”當時他們總結的原因是：“在所有可能的重氧化產物當中，胰島素結構還是一種比較穩定的結構，甚至在各種AB異構物之中，還是最穩定的結構之一。”也就是說在那個時候，他們就已經認識到了天然結構是最穩定的。
03 “蛋白質的一級結構決定高級結構”
同一時期（1961年5月），美國科學家Christian B Anfinsen通過“牛胰核糖核酸酶的變性和復性實驗”發表了一項類似但相對簡單的工作——拆開單鏈的核糖核酸酶的四個二硫鍵，發現它們可以重新鏈接並以很高的水平恢復酶活性。由此，Anfinsen斷言多肽鏈氨基酸的序列已經含有了其三維結構的全部信息，即“蛋白質的一級結構決定高級結構”。他於1972年獲得諾貝爾化學獎。
儘管都是發生在上世紀五六十年代，處理的問題即多肽鏈中二硫鍵正確形成的問題也極其相似，不同的是Anfinsen所做的是變性和復性的實驗，中國則是拆開和重組的實驗。
王志珍院士
“Anfinsen做的是牛胰核糖核酸酶，只是一條鏈，探究的是4對鏈內的二硫鍵。這個情況下，所有可能形成的搭配方式是105種，其中二硫鍵正確的核糖核酸酶只有一種，所以成功的概率是1/105，就是0.95%。而中國科學家面對的問題是兩條鏈的胰島素它雖然只有6個半胱氨酸，但是由於兩條鏈可以以不同的比例、不同的方式來組合，因此獲得天然胰島素的概率要小的多。所以中國科學家面對的問題實際上更加複雜。”
Anfinsen的貢獻主要在於發現變性還原的核糖核酸酶在去除變性劑和還原劑後可以自發恢復活力，並從中得出了“蛋白質的一級結構決定高級結構”的理論，而中國胰島素拆、合的成功領先於世界，且提出了類似的結論，但可惜的是鑑於當時的國際國內環境，沒能將該成果及時發表出來。1978年，人工合成胰島素正式獲得諾貝爾獎提名，雖最終與獎項失之交臂，但工作的理論價值和科學意義則廣受關注。1982年7月，國家自然科學獎在斷評20多年後再度開評，將人工合成胰島素工作評選爲“國家自然科學”一等獎。
會議現場
04 吳憲與第一個蛋白質變性理論（1931）
此外，王志珍院士還介紹了吳憲先生與第一個蛋白質變性理論的故事。蛋白質變性學說對於研究蛋白質大分子的高級結構有重要價值，該理論爲世界生物化學界廣泛接受，併成爲當前國際上蛋白質變性和蛋白質摺疊研究的基礎。吳憲先生在1929年波士頓召開的第13屆國際生理學會上，正式提出了蛋白質變性學說，他認爲天然蛋白質分子不是一條長的直鏈而是一個緊密的結構。這種結構是借肽鍵之外的其他鍵，實現肽鏈的不同部分的相互作用，所以容易被物理及化學的力所破壞，即從有序的摺疊排列形式變成不規則及鬆散的形式。1931年用英文正式發表於《中國生理學雜誌》。
後來在1995出版的《Advances in Protein Chemistry》叢書（蛋白質研究領域國際上最具權威性的綜述性叢書）第 47捲上發表了美國哈佛大學教授，著名生物化學家J.T. Eddsall教授的文章《吳憲與第一個蛋白質變性理論（1931）》（Hsien Wu and the First Theory of Protein Denaturation，1931）。他對吳憲先生的學術成就給予了極高的評價。
一篇在1931年發表的論文居然在1995年仍然值得在國際一流叢書上重新全文刊登，不能不說是國際科學界的一件極爲罕見的大事。爲此，鄒承魯和王志珍兩位教授在1996年發表了一篇《立足國內， 走向世界——從吳憲教授六十四年前一篇論文的重新發表談起》的評述文章。
“在90年代初期，對吳憲先生在世界範圍內對生物化學做出的重大貢獻，很多人並不熟悉。我也是在1993年，中國生物化學學會第六次全國代表大會期間才瞭解到吳憲先生的貢獻。”王志珍教授講到。在那次大會上，爲紀念吳憲先生誕辰100週年舉行了蛋白質變性專題討論會，邀請吳憲教授之子、美國康奈爾大學生物化學系教授、著名生物化學家吳瑞先生介紹了其父一生的主要業績。
“吳憲先生這一重大貢獻，從實驗到理論，與結晶牛胰島素的人工全合成一樣，全部都是在國內實驗室完成的。”
會議現場
05 尾 聲
報告的最後，針對學生提出的“對於新時代國際科研環境的評價和科研人員的評價”，“如何打好科研基礎”，“當年胰島素的合成是否有運氣的存在？”等問題，王志珍教授一一進行了詳實的解答。期間，王志珍院士強調“學生一定要有質疑精神，要敢於提出問題，才能碰撞出思想的火花、才能相互促進。我認爲提問題也是做科研必要的素質”。針對學生們普遍關心的國際科研環境問題，王志珍院士認爲：“當前國際形勢嚴峻，但不管國際政治關係如何，要相信我們政治家的智慧和能力。另一方面，人民外交極其重要，必須要堅持國際學術交流，青年科學家尤其要努力建立廣泛國際聯繫。”此外，對於如何打好科研基礎，王志珍院士強調了“數理化”的重要性，“對大學生來說，數理化必須要學好，這些學科是基礎。同時學生們也要儘可能擁有更廣泛的知識面。”
現場提問
放眼國際，新一輪科技革命和產業變革加速演進，基礎研究和原始創新加快突破。科學探索不斷向宏觀拓展，向微觀深入，交叉融合匯聚不斷加速。基礎研究到產業化的週期越來越短，界限日趨模糊，創新鏈與產業鏈的銜接越來越緊密。一些基本科學問題孕育重大突破，可望催生新的重大科學思想和科學理論，產生顛覆性技術，進而引發世界經濟格局和產業分工的重大深刻調整。此時，再談上世紀60年代“人工全合成結晶牛胰島素”那段波瀾壯闊的歷史，無疑可增強我國攻堅克難、勇攀科學高峰的信心和決心。歷史的車輪已向我們證明唯有勇立世界科技創新潮頭，加強基礎研究和原始創新，提升國家科技整體實力和發展潛力，才能贏得發展主動權。
與會人員合影
嘉賓介紹
王志珍，中國科學院生物物理研究所研究員、生物化學與分子生物學家、中國科學院院士。1959-1964年在中國科學技術大學生物物理系學習，畢業後分配到中國科學院生物物理研究所，做研究工作至今。上世紀70年代中期參與中國胰島素研究的“第三戰役”—— 胰島素結構與功能關係研究。從1979年開始，獲洪堡獎學金在西德的德國羊毛研究所，Fogarty獎學金在美國國立健康研究院等多個單位做訪問研究。80年代參加鄒承魯先生主持的“胰島素A、B鏈相互作用及重組研究”。90年代在國內開拓了蛋白質摺疊中分子伴侶和摺疊酶研究的新領域。研究組目前集中在內質網蛋白質質量控制、氧化還原穩態維持及其與疾病關係的研究。
本文經授權轉載自微信公衆號“結構生物學高精尖創新中心”。