2018諾獎：天才的接力：從噬菌體到「藥王」
圖1：史密斯教授10月3日凌晨在家中接到諾獎委員會的電話（圖片來源：Marjorie Sable via AP）
前言
昨天，得知喬治·史密斯（George Smith）教授獲得今年諾貝爾化學獎，我很為其感到高興。2009年我到美國密蘇里大學癌症研究中心Abraham Eisenstark教授的實驗室學習。當時實驗室的冰箱里有數千種噬菌體，我翻看實驗室日誌時發現其中很多來自史密斯實驗室。後來史密斯來實驗室交流時，我才知道當年Eisenstark教授在密蘇里大學任生命科學院院長時，在一次和史密斯的交談中對其各種奇思妙想大加讚賞，於是把史密斯招募進密蘇里大學。在史密斯的影響下，Eisenstark對噬菌體產生了濃厚興趣，並傾注了後半生的時間。
Eisenstark教授不止一次在實驗室里說道：史密斯是個真正的天才，他遲早會成為密蘇里大學第一位獲得諾貝爾獎的教授，希望我能活到那一天。
幸運的是，史密斯教授終於迎來了他的榮譽；不幸的是，上個月Eisenstark教授已經與世長辭，未能見證這歷史性的一刻。
謹以此文祝賀史密斯教授獲得諾獎，並紀念Eisenstark教授。
撰文 | 王承志（北京大學醫學博士）
知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual
20世紀80年代上半葉的時候，史密斯開始研究噬菌體。
噬菌體是一種感染細菌的病毒，雖然個頭小，卻是當時分子生物學家所鍾愛的物種之一，因為其結構簡單，培養方便，但卻蘊含著分子生物學家所關心的很多基本的生物學問題。
阿爾弗雷德·赫爾希（Alfred Hershey）和瑪莎·蔡斯（Martha Chase）因使用噬菌體為材料發現了DNA是遺傳物質而獲得1969年諾貝爾生理學或醫學獎。從此後，噬菌體幫助分子生物學家攻城拔寨，接連在DNA和RNA聚合酶、連接酶、核酸內切酶和核酸外切酶領域取得突破性進展。
史密斯最初接觸噬菌體時，準備用它來干一件當時非常時髦的事：基因克隆。當時科學家已經知道基因是生產蛋白質的「密碼」，但是生物體內的基因成千上萬，要找到生產某個蛋白質的那個特定基因無異於大海撈針。
當時生物學家的普遍做法是把生物的基因組打碎，然後隨機插入到一種可以在細菌中擴增的結構——質粒當中。這樣就獲得了包含一個物種全部DNA片段的文庫，然後生物學家再一個一個去做基因測序和蛋白鑒定。當時很多博士研究生主要的工作就是花費數年的時間克隆並鑒定一個基因。
史密斯在接觸噬菌體後產生了一個絕妙的想法：也許不必用細菌費時費力地去表達基因，把基因片段插入到噬菌體的衣殼蛋白基因中，那麼它生產的蛋白質片段就會成為衣殼蛋白的一部分。由於衣殼蛋白在噬菌體的最外面，這樣插入基因表達出來的蛋白片段就可以「展示」在噬菌體的表面。
史密斯把一種常用的限制性內切酶EcoRI的基因片段插入到絲狀噬菌體M13的衣殼蛋白基因III里進行了嘗試。果然如他所料，EcoRI的片段在噬菌體表面被其特異性抗體所識別，證明了這種方法的可行性。1985年，史密斯發表了這種方法，並取名為「噬菌體展示」。
圖2：噬菌體展示原理（圖片來源：參考文獻2）
噬菌體展示技術，第一次把蛋白和對應的基因在一個極其簡單的系統里直接建立了聯繫，解決了之前分子生物學家最為頭痛的問題之一。
一時間，史密斯接到世界各地科學家索要其噬菌體展示系統的信件。史密斯也準備大幹一場，進行多個基因的克隆鑒定。
科學的發展經常難以預測。噬菌體展示還沒在基因克隆領域大展神威，卻成為另一群科學家——抗體工程科學家——的突破性武器。
抗體是免疫系統產生的一種生物大分子，用來結合入侵機體的外來物從而保護機體。抗體有個特性，就是和其識別的物質（通常被稱為抗原）的結合具有很強的特異性。抗體學家希望用這個特性來生產藥物。
很多藥物的設計是針對細胞信號傳導的某個特定通路，這通常被稱為靶向葯。此前，要抑制某個通路，通常做法是篩選針對通路中某個酶的活性位點的小分子化合物。抗體學家覺得，抗體的良好特異性也可以讓其很好地完成同樣的工作。
但是，抗體的生產一般是用抗原免疫動物而得到。通俗地說，把某種蛋白質注射到小鼠體內，小鼠就會產生針對這種蛋白的抗體。然後，用這種蛋白質就可以把小鼠血液中的抗體給純化出來。這種方法費時費力，且成本高昂。還有一個的問題是，如果用作藥物，動物產生的抗體輸入人體會被人體免疫系統識別為外來抗原而迅速消滅掉。
1989年，Richard Lerner和同事把噬菌體展示技術和抗體工程結合起，把抗體識別抗原的那部分（稱為抗體可變區）的DNA片段克隆進噬菌體的衣殼蛋白基因中，從而在噬菌體表面展示了抗體的結構。（遺憾的是，Lerner未能獲得今年的諾獎。）1990年，格雷戈里·溫特（Gregory Winter）實驗室也發表文章，他們在噬菌體表面展示篩選了一種溶菌酶的抗體，還表達了這種抗體。經過實驗，發現經過噬菌體展示篩選出來的抗體在ELISA實驗中和動物來源的抗體一樣好用。
圖3：格雷戈里·溫特（圖片來源：Cambridge Innovation Capital plc）
在溫特的實驗中，用特異的抗原去把能和其結合的噬菌體給篩選出來，這些噬菌體表面展示的抗體片段已經具有和目標抗原結合的特異性。篩選出來的噬菌體經過突變並重複上面的過程，就可以得到結合力更高的抗體。經過幾輪篩選，通常可以得到特異性非常好的抗體（圖4）。這大大加速了抗體的篩選和生產。
圖4：利用噬菌體展示進行抗體篩選原理（圖片來源：參考文獻2）
史密斯發明噬菌體展示時，使用抗體去識別表面展示有特定抗原的噬菌體。而溫特反其道而行之，使用噬菌體展示抗體，再用抗原去識別。雖是概念簡單的易位，卻大大拓寬了噬菌體展示應用的範圍。
溫特利用這種技術成立了一家公司，並開發了一種針對人TNF-α的抗體。這個抗體就是後來聲名遠播的阿達木單抗，用來治療類風濕性關節炎等自身免疫疾病。從2002年獲批上市以來，阿達木成為銷售額最高的生物葯「藥王」，僅去年銷售額就達到184.3億美元。
現在，噬菌體展示技術正被大量用於抗體藥物的研發。在已經上市數十種抗體藥物中，使用噬菌體展示技術研發就的有近10種。史密斯、溫特以及其它眾多科學家的天才構想在三十年間徹底改變了抗體工業和製藥工業，也為人類健康事業做出了突破性的貢獻，獲得諾貝爾化學獎可以說是實至名歸。
參考文獻：
1. Smith G P, Petrenko V A. Phage display [J]. Chemical reviews, 1997, 97(2): 391-410.
2. A (r)evolution in chemistry.https://old.nobelprize.org/che-popular.pdf
3. McCafferty J, Griffiths A D, Winter G, et al. Phage antibodies: filamentous phage displaying antibody variable domains[J]. nature, 1990, 348(6301): 552.
4. Huse W D, Sastry L, Iverson S A, et al. Generation of a large combinatorial library of the immunoglobulin repertoire in phage lambda[J]. Science, 1989, 246(4935): 1275-1281.
5. Hentrich C, Ylera F, Frisch C, et al. Monoclonal Antibody Generation by Phage Display: History, State-of-the-Art, and Future[M]Hand
去知識分子網站看一看這些文章：
北大專家解讀：今年的諾貝爾化學獎又給了生物學的工作嗎？
http://m.zhishifenzi.com/depth/depth/4221.html
天才的接力：從噬菌體到「藥王」
http://m.zhishifenzi.com/depth/depth/4220.html
諾獎得主本庶佑將捐出所獲獎金，以培養後輩
http://m.zhishifenzi.com/news/multiple/4219.html
女性的勝利：「進化」的諾貝爾化學獎
http://m.zhishifenzi.com/depth/depth/4195.html
（長按複製上方鏈接，瀏覽器打開）
製版編輯 | 皮皮魚
本頁刊發內容未經書面許可禁止轉載及使用
公眾號、報刊等轉載請聯繫授權
copyright@zhishifenzi.com
商務合作請聯繫
business@zhishifenzi.com
知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual
TAG:知識分子 |