糖尿病故事九：胰岛素进化论

科普中国-科普融合创作与传播 2017-12-18

　　原标题：糖尿病：过去、现在和未来（九）：胰岛素进化论

　　1982年，优泌林（Humulin），世界上第一种利用基因工程技术生产的人源胰岛素正式上市。

　　优泌林的出现不仅仅意味着动物胰岛素产品的巅峰已过，开始慢慢退出市场，同时，它作为有史以来第一种基因工程药物，还标志着生物技术产业的诞生，以及医药行业的历史性变革。

　　一切，让我们从头说起。

　　“合成一个蛋白质”—首次人工合成牛胰岛素

　　前面我们已经讲到，相比牛或者猪的胰岛素，使用人胰岛素治疗糖尿病有显而易见的诸多好处：完全模拟了病人体内的天然胰岛素；避免了动物胰岛素可能的副作用；生产不需要依赖动物内脏的供应，等等。不管从临床应用、生产还是商业因素考虑，人胰岛素都是不折不扣的终极“胰岛素”。

　　但是如何生产出人胰岛素，特别是大量的、质量稳定的、安全可靠的人胰岛素呢？毕竟，科学家和医生们，不可能从活人（或者死人）身上打主意。这样的想法不仅仅邪恶，实际上也太没有创造力了！

　　敏锐的读者们可能已经在想我们前面刚刚提到的桑格的故事。既然桑格能够测定牛胰岛素全部五十一个氨基酸的完整序列，那么人们显然也可以照葫芦画瓢的测定出人胰岛素的全部氨基酸序列。

　　如果这时候能再有一种技术，能够反桑格之道而行之，按照测定出的序列信息，把五十一氨基酸分子一个一个连成一串，那岂不是就能在实验室里“生产”出人胰岛素来了？

　　您还别说，在上个世纪六十年代，这种听起来充满暴力美学的逆向工程做法还真的一度成为人们的希望所在。

　　读者们可能还记得，中小学课本里提到的一项新中国重要科学贡献“结晶牛胰岛素”吧！在大跃进的狂热中，中国科学家提出了“合成一个蛋白质”的口号，在亩产万斤的氛围中也发射了自己的卫星。1965年，历经几年的集体攻关，中国科学家成功的用单个氨基酸为原材料，在实验室中合成出了结构和功能都和天然牛胰岛素别无二致的蛋白质。

　　我国科学家通过人工方法合成的结晶牛胰岛素。（图片来源不详）

　　这项工作的意义在这里就不展开叙述了。

　　笔者要说的是，首先，这项工作毫无异议的证明，人们确实可以在实验室条件下“生产”出和天然人胰岛素完全等价的蛋白质来。但是这项工作的进展本身也深刻地显示了，试图用人工方法来pk造物亿万年进化造就的生物机器是多么的无力。在实验室环境中完全人工合成一个蛋白质是一件效率极低的事情，每一次将一个新的氨基酸分子连上去，其产出率都只有千分之几，这就意味着合成一个包含五十一个氨基酸的蛋白质，总产出率将会低至一个需要用放大镜才能看清的数字。即便是在之后的多年里，人工合成蛋白质的效率有了长足的进步，但是相比生物体产生胰岛素的效率仍有天壤之别。

　　因此在实用意义上，靠人工合成的“笨”办法制造人胰岛素，是条不可能的路。

　　这时候进入历史的，是一个在我们的故事中多次出现、似曾相识的情节。又一次意识到人力有限的科学家们，转而开始寻求大自然的力量。

　　两位科学家的合作与基因工程时代的到来

　　既然不能完全依靠人工去生产胰岛素，那我们能不能借用生物体的力量？要知道，人体自然合成人胰岛素的本事，可是比科学家的试管高出了不知道多少倍。

　　可是我们总不能——总不能就为了这个在实验室饲养人类吧？

　　别说大活人，就是单纯培养一堆人的胰脏，都会引发伦理学和监管领域的滔天巨浪。

　　所幸，这一次生物学家们没有让我们等得太久。他们想出了一个绝妙的办法，让那些肉眼看不见摸不着却又无处不在的细菌，帮助人类生产胰岛素。

　　整个二十世纪七十年代，见证了现代生物学一场真正的革命。

　　从揭示人类奥秘的角度看，它也许还比不上达尔文提出进化论、比不上DNA双螺旋结构的发现。但是如果从对人类生活的影响看，七十年代是不折不扣的黄金时代。

　　1973年，两位年轻的生物学家，斯坦福大学的斯坦利?科恩（Stanley Cohen）和加州大学旧金山分校的赫伯特?博尔（Herbert Boyer）合作发表了一篇学术论文。两位科学家的天作之合也宣告了重组DNA技术的诞生和基因工程时代的到来。

　　说起来，科恩和博尔的研究工作，在1973年前其实并无交集。这篇划时代的论文，其源头不过是1972年两人在一次学术会议上的邂逅。

　　科恩之前的研究工作是细菌的遗传物质——DNA。准确的说，科恩的研究兴趣是某些细菌中携带的名为“质粒”（Plasmid）的环状DNA分子。科恩在工作中观察到，细菌的抗药性很大程度上是由这种名为质粒的DNA决定的。他在实验中令人信服的证明，质粒DNA上确实携带了特定的基因，这个基因通过DNA的转录和翻译产生了一种能够对抗抗生素的蛋白质。同时，质粒DNA能够因为某种不明原因在细菌之间来回传递，而这种质粒传递的现象很好的解释了为什么一大群细菌可以很快的产生抗药性。

　　而博尔的工作虽然也和细菌有关，但是却和科恩的兴趣点八竿子打不着。博尔关心的是细菌中一类非常有趣的蛋白质——“限制性内切酶”。这种蛋白质有点像DNA剪刀，可以咔嚓一声把DNA剪成两段。吸引博尔的地方在于，限制性内切酶的剪切位点看起来是有高度选择性的，一种内切酶，只会选择一种DNA位点进行剪切。而博尔希望能理解这到底是为什么。

　　而1972年在夏威夷维基基海滩（Waikiki beach）的那次见面，把两位科学家的研究神奇的连在了一起。

　　赫伯特.博尔（左）和斯坦利.科恩（右）

　　这两位科学家在1972-1973年的合作可能是现在分子生物学历史上最重要的合作之一。在短短几个月中，来自两个实验室的技术被结合起来，宣告了重组DNA技术的诞生和基因工程时代的到来。博尔随后辞去教授职务，成为基因泰克公司的创始人，而科恩一直在斯坦福继续他的研究，并且在重组DNA技术的伦理和监管讨论中起到了重要作用。值得一提的是，1980年诺贝尔化学奖授予对重组DNA技术同样有重要贡献的科学家保罗.伯格（Paul Berg），而与博尔和科恩遗憾得失之交臂。（图片来自www.lemelsonmit.edu）

　　两位年轻人在会后的晚餐上开始聊彼此的研究。几个小时的热烈讨论后，他们不约而同的产生了一个想法：既然限制性内切酶能够特异地切断DNA，而细菌的质粒DNA又决定了它们对抗生素的抗性，那么，要是能找到两个抗性不同的质粒，用内切酶将两个圆环分别切开再粘成一个大环，这个新产生的质粒DNA岂不是应该能够产生两种截然不同的抗性蛋白质，从而让细菌能够同时抵抗两种抗生素的侵袭？

　　说起来，他们的思路听起来确实非常简单直接，但是如果没有那一次偶然的邂逅，很难想象两个人（或者其他人）还要在黑暗中摸索多久才能有这个“啊，我想到了！”的奇妙瞬间。

　　几个月后，他们完美证明了这个想法。而这也意味着，两个年轻人无意间操持起了上帝的活计。

　　在他们之前的几十亿年，地球上所有有机生命，都严格遵循着达尔文的进化论，依靠遗传信息的缓慢变异，在这多变的地球母亲上顽强生存。而两个年轻人的实验证明，在狭小的实验室空间里，人类可以轻松的定向设计和改变一个生物体的遗传信息！

　　博尔和科恩工作的示意图（绘图肖媛）

　　他们将两种抗性不同的环形质粒DNA（紫色的pSC101质粒携带抵抗四环素的基因，而黄色的RSF1010质粒i携带抵抗链霉素的基因）提取出来之后，用一种名为EcoRI的限制性内切酶分别切断，再将两者连起来形成一个大环。这种“杂交”产生的质粒DNA如果被重新引入细菌，可以使细菌同时具备四环素和链霉素两种抗性。读者们将会很快看到，重组DNA的方法可以拓展出大量的应用，包括利用细菌生产人类胰岛素。（图片来自www.slideshare.net）

　　基因工程的时代到来了。科恩和博尔这个听起来还相当粗糙的实验，为之后更精巧和复杂的工作指明了道路。从此之后，人类熟练地操起DNA剪刀、胶水、GPS和复印机，像个好奇的孩子一样对着周围的一切新鲜的遗传物质动手动脚。

　　更高产的小麦，能杀害虫的玉米，吃了防止贫血的水稻，更瘦的猪，更忠诚的狗……也许，还有更健康，更聪明，更漂亮的人类自己。

　　那么，胰岛素呢？

　　科学家与商人的再次合作——人源胰岛素的诞生

　　应该承认，至少在1973年，科恩和博尔还压根没有想到他们的研究和胰岛素、和糖尿病会有一丝一毫的关系。

　　两个人正沉浸在发现的喜悦和竞争的高压中。要知道，东海岸那里不少鼎鼎大名的实验室，也在紧锣密鼓的展开重组DNA的研究呢。

　　于是老俗套的故事又上演了：面对可能的商业应用，产业界和资本的嗅觉总是要更灵敏。

　　1976年1月的一天，博尔在办公室里接到了一通陌生人的电话。电话那头的年轻人自称罗伯特.斯旺森（Robert Swanson），鼎鼎大名的硅谷KPCB基金的合伙人。斯旺森热情的提到了科恩和博尔的“重要发现”，并且谦虚的询问能否约个时间和博尔喝杯咖啡，谈谈重组DNA技术的“可能商业应用”。

　　原定一刻钟的咖啡时间喝了三个小时。而那一天结束的时候，博尔和斯旺森，两个三十岁左右的年轻人已经迅速谈妥了一个约定：两人决定分头辞职，共同创立一家生物技术公司，探索基因工程的应用前景。

　　博尔和斯旺森的命运就此改变。而这家名为基因泰克（Genentech）的公司，也标志着基因工程这项革命性的技术发明，迅速走出实验室，走向产业化，走进千家万户的药盒。

　　基因泰克公司总部，位于美国加州南旧金山

　　这家创立于1976年的公司是医药产业乃至全球创新企业的传奇之一。建立在重组DNA技术之上的这家公司在过去的数十年，研究开发出数十种基于基因工程的重组蛋白和单克隆抗体药物，引领了整个生物技术产业的发展。基因泰克开发的著名药物还包括结直肠癌和其他癌症的药物，非小细胞肺癌药物，乳腺癌药物等等。（图片来自www.triumgroup.com）

　　这家年轻的公司的第一个使命就是，利用科恩和博尔的重组DNA技术，让细菌为我们生产人胰岛素！

　　其实有了桑格对胰岛素氨基酸序列的测定，有了科恩和博尔的重组DNA技术，这项任务实际上并没有看起来那么耸人听闻：首先，人们已经通过桑格和后来者的工作，完全了解了人类胰岛素完整的氨基酸序列，并顺藤摸瓜的确定了人类胰岛素的DNA序列。因此，如果把人类DNA序列完整的合成出来，再利用重组DNA技术把它放到一个细菌质粒里面去，这种细菌应该就能源源不断的合成人源胰岛素，就像它如何产生抗生素的抗性蛋白一样。

　　1978年，仅仅开业两年后，年轻的基因泰克公司宣布生产出了人源胰岛素，其氨基酸序列及生物功能与人类自身合成的胰岛素别无二致。世界上第一个基因工程药物诞生了。1982年，胰岛素领域的奠基人礼来公司开始以优泌林（Humulin）为商品名销售基因泰克的产品。到本世纪初，全球胰岛素市场上超过2/3的产品为人源胰岛素，而全美市场中已经找不到动物胰岛素的存在。

　　优泌林（Humulin）

　　第一种利用基因工程手段生产的人源胰岛素，事实上也是人类历史上第一个基因工程药物。优泌林可谓是医药市场的常青树，上市超过三十年的优泌林，目前仍能实现每年超10亿美元的销售额。（图片来自www.odec.ca）

　　1980年，基因泰克在万众欢呼中登陆纳斯达克，作为一家当时仍没有分钱利润的公司，基因泰克在IPO首日结束时的市值就达到４亿美元，这代表着人们对这家代表着新希望的制药公司的美好期待。

　　而在2009年，瑞士制药巨头罗氏收购基因泰克时，花费达到了创纪录的四百六十多亿美元！基因泰克、博尔和斯旺森，在一个完美无缺的时间节点做出了正确的选择。因此他们的成功也就显得如此的水到渠成。

　　而优泌林的上市，也代表着胰岛素又一个美好时代的到来。

　　更多、更新、更好的胰岛素

　　基因工程生产的人源胰岛素，不仅意味着从此胰岛素生产可以从此摆脱对动物器官的依赖。对于每天依赖胰岛素注射的糖尿病人而言，还有更重要的一层含义。

　　既然我们可以利用重组DNA技术，将人类胰岛素的DNA序列放入细菌，把细菌变成微型胰岛素工厂，那么我们自然也可以在这个过程中，随心所欲的改变人类胰岛素的DNA和蛋白质序列，甚至制造出性能优于天然胰岛素的全新蛋白质药物来。

　　也许读者会问，人胰岛素应该是历经进化选择的最优解吧，有什么必要在它上面继续动手动脚呢？这样会不会弄巧成拙呢？

　　问的没错。

　　人类天然合成的胰岛素，对于人体而言，当然是近乎于完美无缺的存在。毕竟在全球几十亿没有患糖尿病的人群里，天然胰岛素一周七天、全年无休在精密调控着身体里的血糖。再谈人工修改，确实有点画蛇添足的意味。但是，对于糖尿病人而言，通过注射进入体内的人源胰岛素可就没有那么完美了。

　　倒不是胰岛素本身有什么不对，实际上基因工程就保证了糖尿病人所用的人源胰岛素和体内天然合成的胰岛素一模一样。问题是出在对胰岛素水平的调节上。读者们可能还记得，前面章节里我们曾经引用过这张图描述每日血糖和胰岛素水平变化的曲线：

　　我们可以清晰地看到，血液中的胰岛素（蓝色实线）含量并非一根刻板不动的直线，而是在三餐前后有着明显的波动。实际上，胰岛素水平灵敏地响应了体内血糖水平的变化（红色实线），从而能够在饭前饭后协助血糖水平的稳定。在这种灵敏响应的背后，是人体胰岛贝塔细胞对合成、包装和分泌胰岛素的精密调控。而可想而知，通过注射器进入血管的胰岛素显然没有能力精确地追踪和响应血糖水平变化。

　　因此，从某种程度上说，接受胰岛素治疗的糖尿病患者仍然和健康人有着明显的区别。前者仍然需要小心翼翼的调节自身的饮食规律和注射胰岛素的节奏，保证血糖水平能够处于相对合理的范围内。

　　比如说，常规使用的动物胰岛素在血液中的生命周期差不多都是4-6个小时，这就意味着患者每天需要给自己扎上四五针才能维持基础血糖的稳定。即便是改进版（例如诺和诺德公司于1946年开发的一种药物，即在胰岛素溶液中添加鱼精蛋白以延长作用期），患者也需要每天注射两次。而这些胰岛素对于餐后短时间血糖飙升的情况都无可奈何：常规胰岛素的起效较为缓慢，作用周期又往往以小时记，如果注射高剂量胰岛素保证了餐后短时间内血糖的稳定，那么食物消化后高剂量的胰岛素很容易引起低血糖症状，甚至危及生命。

　　有了重组DNA技术，人们就有资本开始幻想，是否有可能，用这种上帝的活计，为我们制造更多、更新、更好的胰岛素？

　　有没有可能制造一种作用时间更长的胰岛素，使得糖尿病人们不再需要每天反复提醒自己注射的时间，可以一针解决一天的问题，甚至可以一针解决几天、几周甚至更长时间的血糖问题？

　　有没有可能制造一种特别短命的胰岛素，一经注射马上起效，起效之后迅速降解，正好用来应对餐后血糖的高峰？

　　有没有可能制造一种自动的机器能够模拟贝塔细胞的功能，顺应血糖水平的变化，灵敏的调节胰岛素的剂量？

　　甚至——有没有可能制造出一种可以当药片吃的胰岛素，让糖尿病人再也不需要面对扎针的烦恼？

　　我们的故事，更多的是希望讲述已经发生的历史，连接历史上科学发现与疾病治疗之间的纽带，因此，笔者不想花太多笔墨介绍这些正在我们周围发生着的、激动人心的进步。只想告诉读者们，基因工程使得这些美好的幻想缓慢地、却又坚定不移地成为现实。

　　比如说，赛诺菲公司开发的新型胰岛素，通过对人胰岛素进行基因修饰（特别是将第21位的甘氨酸替换成了精氨酸），延长了胰岛素的半衰期，使得病人们一天注射一次就可以调节基础血糖。类似的产品还有诺和诺德公司的一种产品。在故事的另一端，赛诺菲、诺和诺德和礼来公司也通过基因工程的方法改造人类胰岛素，生产出了能够在半小时内起效的快速胰岛素。

　　与此同时，一种全新的给药方式——胰岛素泵也被发明出来。和每日几次的常规注射不同，胰岛素泵始终保持和血管的连通、实时测定血糖水平，并根据血糖水平自动调节胰岛素的剂量。从某种意义上，胰岛素泵至少部分地模拟了胰腺贝塔细胞对胰岛素分泌的调节作用。