桑格：解開人類基因密碼

文- 郝 俊

桑格：解開人類基因密碼

文- 郝 俊

桑格當(dāng)之無愧地被稱為“基因組學(xué)之父”，他的工作為人類讀取和理解基因代碼奠定了基礎(chǔ)，徹底變革了生物學(xué)并極大促進(jìn)了當(dāng)今的醫(yī)學(xué)發(fā)展

弗雷德里克·桑格，英國生物化學(xué)家，他完整定序了胰島素氨基酸序列，證明蛋白質(zhì)具有明確構(gòu)造，于1958年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；上世紀(jì)70年代，他提出快速測定DNA序列的技術(shù)“雙脫氧終止法”，于1980年與另外兩名科學(xué)家共享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

1983年的一天，65歲的英國生物化學(xué)家弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）停下手中的試驗(yàn)，轉(zhuǎn)身走出實(shí)驗(yàn)室，宣布自己正式退休。此時(shí)的他突然覺得自己的年紀(jì)已經(jīng)足夠大了，需要開始另一種生活。

此后，在家專心打理花園的桑格逐漸淡出人們的視野。直到30年后的2013年11月19日，他在沉睡中于英國劍橋郡阿登布魯克醫(yī)院安然離世，享年95歲。弗雷德里克·桑格這個(gè)名字，以及與他有關(guān)的種種傳奇往事，此時(shí)再度被世人的記憶所喚醒。

在分子生物學(xué)、生物化學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的教科書中，以桑格的名字命名的試劑、測序法是無法繞過的經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容，桑格也由此被今天的年輕學(xué)子們奉為“祖師爺”級(jí)的人物。事實(shí)上，兩次獲諾貝爾獎(jiǎng)，足以說明桑格在世界科學(xué)界所擁有的分量和地位。因完整測定了胰島素氨基酸序列，證明蛋白質(zhì)具有明確構(gòu)造，桑格獨(dú)享1958年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；上世紀(jì)70年代末，他提出快速測定脫氧核糖核酸（DNA）序列的技術(shù)“雙脫氧終止法”，即被稱作“桑格法”的雙脫氧核苷酸鏈終止法，與另外兩名科學(xué)家共享1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

在科學(xué)史上，桑格是繼瑪麗亞·居里、萊納斯·鮑林、約翰·巴丁之后，第四位兩度獲得諾貝爾獎(jiǎng)及迄今為止唯一兩次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家。英國維康信托基金會(huì)主席杰里米·法萊爾評(píng)價(jià)：“桑格當(dāng)之無愧地被稱為‘基因組學(xué)之父’，他的工作為人類讀取和理解基因代碼奠定了基礎(chǔ)，徹底變革了生物學(xué)并極大促進(jìn)了當(dāng)今的醫(yī)學(xué)發(fā)展。”

從認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)開始

1918年8月13日，桑格出生于英國格洛斯特郡，父親是一名內(nèi)科醫(yī)師，曾作為傳教士在中國短暫工作，母親是從事棉花加工生意的商人后代。桑格原本打算跟隨父親的步伐邁入醫(yī)學(xué)界，但高中畢業(yè)進(jìn)入劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)后，他轉(zhuǎn)而對(duì)生物化學(xué)產(chǎn)生了濃厚興趣，決定成為一名科學(xué)家。當(dāng)時(shí)的劍橋，正好擁有諸多生物化學(xué)先驅(qū)。

上學(xué)時(shí)桑格表現(xiàn)平平，從中學(xué)一直到博士畢業(yè)之前，他幾乎沒有獲得過任何獎(jiǎng)學(xué)金，但父母也沒有一味要求他在考試中取得高分，而是盡量給他一個(gè)寬松的家庭環(huán)境，父親的劍橋背景和富裕的家境幫了他不少忙。

1944年，桑格在劍橋取得化學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，留校跟隨正在研究胰島素的生物化學(xué)系新任教授阿爾伯特·查爾斯·奇布諾爾開始博士后研究，專注于為氨基酸排序的工作。

胰島素在人體的糖代謝過程中起到重要作用，如果胰島素分泌不足，就有可能導(dǎo)致糖尿病。科學(xué)家開始關(guān)注胰島素的生化性質(zhì)，不僅僅因?yàn)樗哂嗅t(yī)學(xué)的應(yīng)用前景，還因?yàn)樗钱?dāng)時(shí)僅有的幾種能夠被提純的蛋白質(zhì)。

在桑格涉足胰島素研究之時(shí)，世界生物學(xué)界對(duì)蛋白質(zhì)的認(rèn)知存在較大分歧，一種觀點(diǎn)認(rèn)為，蛋白質(zhì)沒有明確的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)；另一派則堅(jiān)持認(rèn)為蛋白質(zhì)具有結(jié)構(gòu)，且可以通過化學(xué)方法測定氨基酸的排列順序。

桑格以牛胰島素作為樣本，開始確定胰島素分子中的51個(gè)氨基酸序列。他發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以截?cái)噙B接氨基酸鏈的“橋”，這使得他可以研究單個(gè)的氨基酸片段，然后他又將這些片段重新組合成氨基酸長鏈，進(jìn)而推導(dǎo)出完整的胰島素結(jié)構(gòu)。1953年，桑格成功地測序了胰島素的氨基酸序列。

“這是非常不容易的工作。”中國科學(xué)院院士、分子生物學(xué)家洪國藩對(duì)此高度評(píng)價(jià)，桑格在科學(xué)界對(duì)蛋白質(zhì)認(rèn)識(shí)匱乏的情況下，明確回答了蛋白質(zhì)具有結(jié)構(gòu)，并成為世界上第一個(gè)搞清楚其氨基酸排列順序的人。

1965年，我國科學(xué)家用人工方法合成具有生物活性的結(jié)晶牛胰島素，在世界上首次實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的人工合成。在洪國藩看來，我國科技史上這項(xiàng)與“兩彈一星”齊名的偉大成就，是桑格的研究與中國科學(xué)最為直接而緊密的連接點(diǎn)。“如果沒有桑格搞清楚胰島素的結(jié)構(gòu)，我們就沒有辦法進(jìn)行人工合成。”洪國藩說，更為重要的是，中國科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)胰島素的人工合成，反過來支持并證明了桑格蛋白質(zhì)測序的正確性。

桑格測定蛋白質(zhì)序列的方法至今仍有應(yīng)用，而他所使用的2，4-二硝基氟苯此后被稱為“桑格試劑”，該試劑與自由氨基的反應(yīng)則被稱作“桑格反應(yīng)”。這項(xiàng)工作為他贏得了第一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

“測序，測序，測序”

獲得1958年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)后，來自世界各地的訪學(xué)和學(xué)術(shù)報(bào)告邀請(qǐng)紛至沓來，而桑格卻并不打算離開自己所鐘愛的實(shí)驗(yàn)室生活，他一一婉拒，繼續(xù)躬耕實(shí)驗(yàn)。

1962年，桑格參與籌建了隸屬于英國醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室后來成為世界生命科學(xué)領(lǐng)域的“研究圣地”，迄今為止誕生了13位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。然而作為創(chuàng)建元老的桑格，卻始終沒有擔(dān)任太多職務(wù)，因?yàn)椤皡⑴c管理事務(wù)太痛苦了”。

在研究年鑒上，桑格曾以“測序，測序，測序”作為題目總結(jié)自己一生的工作。上世紀(jì)70年代，隨著生命科學(xué)研究的深入，桑格將注意力轉(zhuǎn)向RNA和DNA的測序研究。

而對(duì)于桑格此后致力于發(fā)明一種全新的DNA測序方法，英國同行之間流傳著一段頗耐人尋味的小故事。

曾在英國牛津大學(xué)留學(xué)的中科院北京生命科學(xué)研究院副院長高福介紹，當(dāng)時(shí)有很多科學(xué)家在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室排隊(duì)測序，桑格也不例外。然而有一天，排隊(duì)等待的低效率讓桑格很是煩惱，于是，他決心要從漫長的隊(duì)伍中離開，自己去發(fā)明一種更為快速的測序方法。

“原本排著隊(duì)就能在Nature或Science這樣的雜志上發(fā)篇論文，可是桑格說他不排隊(duì)了，要去做一個(gè)創(chuàng)新性的新方法。”高福說，桑格的選擇，也從一個(gè)側(cè)面印證了英國科學(xué)界優(yōu)良的創(chuàng)新型研究傳統(tǒng)。

桑格最先想到了自己曾用于蛋白質(zhì)測序的“拼圖法”，但他很快發(fā)現(xiàn)這種手段在面對(duì)信息量龐大的DNA時(shí)毫無用武之地。自認(rèn)為并不聰明的桑格，曾說自己“只是個(gè)一輩子在實(shí)驗(yàn)室里瞎胡混的家伙”，埋頭實(shí)驗(yàn)室成為他的“成功密鑰”。

最終，后來被稱為“桑格法”的“雙脫氧終止法”測序技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，他利用該技術(shù)成功定序出一種噬菌體的基因組序列。這也是科學(xué)家首次完整的基因組定序工作。相較于當(dāng)時(shí)其他的DNA測序方法，桑格的技術(shù)使用了較不具毒性的材料。這一系列工作，為他第二次贏得了諾貝爾獎(jiǎng)。

桑格兩次獲諾獎(jiǎng)的研究，都涉及生物大分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)及其測序，英國醫(yī)學(xué)研究理事會(huì)前主任科林·布萊克莫爾評(píng)價(jià)，桑格發(fā)明的兩項(xiàng)技術(shù)打開了分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和基因組學(xué)研究領(lǐng)域的大門。

隨著基因組研究的飛速發(fā)展，科學(xué)家開始想要破解上帝留給人類的基因“天書”。而作為第一代測序技術(shù)的“桑格法”，成為1990年正式啟動(dòng)的“人類基因組”計(jì)劃得以順利開展的關(guān)鍵。

因?yàn)閰挓┝伺抨?duì)發(fā)論文，桑格轉(zhuǎn)而自己研究起新的DNA測序方法。關(guān)于這段有些傳奇色彩的故事，北京生命科學(xué)研究院副院長高福認(rèn)為它對(duì)當(dāng)下中國的科學(xué)界有很大啟發(fā)。“如果桑格只是排著隊(duì)在Nature上發(fā)了幾篇論文，那么相對(duì)于發(fā)明一種新的測序方法來說，究竟哪個(gè)貢獻(xiàn)大呢？”

盡管桑格幾十年來一直身處實(shí)驗(yàn)室一線并且成名很早，但如今若要在公共檢索系統(tǒng)中查找，他一生發(fā)表的論文和評(píng)述不會(huì)超過百篇。即便在他一年之內(nèi)發(fā)表論文最多的1969年，文章總數(shù)量也僅有5篇。然而，他于1977年與人合作撰寫的關(guān)于DNA測序的文章，發(fā)表至今已被引用超過6萬次。

“在我們當(dāng)前的科學(xué)環(huán)境中，大家急急忙忙多發(fā)了幾篇論文，數(shù)量上去了不少，但是對(duì)于科學(xué)的真正貢獻(xiàn)究竟在哪里呢？”在高福看來，桑格的追求和成就值得今天的中國科學(xué)家深思。

（責(zé)任編輯/喻曉）