天才的接力：從噬菌體到“藥王” | 2018諾獎(jiǎng)
圖1：史密斯教授10月3日凌晨在家中接到諾獎(jiǎng)委員會(huì)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(xué)獎(jiǎng)，我很為其感到高興。2009年我到美國密蘇里大學(xué)癌癥研究中心Abraham Eisenstark教授的實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)。當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室的冰箱里有數(shù)千種噬菌體，我翻看實(shí)驗(yàn)室日志時(shí)發(fā)現(xiàn)其中很多來自史密斯實(shí)驗(yàn)室。后來史密斯來實(shí)驗(yàn)室交流時(shí)，我才知道當(dāng)年Eisenstark教授在密蘇里大學(xué)任生命科學(xué)院院長(zhǎng)時(shí)，在一次和史密斯的交談中對(duì)其各種奇思妙想大加贊賞，于是把史密斯招募進(jìn)密蘇里大學(xué)。在史密斯的影響下，Eisenstark對(duì)噬菌體產(chǎn)生了濃厚興趣，并傾注了后半生的時(shí)間。
Eisenstark教授不止一次在實(shí)驗(yàn)室里說道：史密斯是個(gè)真正的天才，他遲早會(huì)成為密蘇里大學(xué)第一位獲得諾貝爾獎(jiǎng)的教授，希望我能活到那一天。
幸運(yùn)的是，史密斯教授終于迎來了他的榮譽(yù)；不幸的是，上個(gè)月Eisenstark教授已經(jīng)與世長(zhǎng)辭，未能見證這歷史性的一刻。
謹(jǐn)以此文祝賀史密斯教授獲得諾獎(jiǎng)，并紀(jì)念Eisenstark教授。
撰文 | 王承志（北京大學(xué)醫(yī)學(xué)博士）
● ● ●
20世紀(jì)80年代上半葉的時(shí)候，史密斯開始研究噬菌體。
噬菌體是一種感染細(xì)菌的病毒，雖然個(gè)頭小，卻是當(dāng)時(shí)分子生物學(xué)家所鐘愛的物種之一，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，培養(yǎng)方便，但卻蘊(yùn)含著分子生物學(xué)家所關(guān)心的很多基本的生物學(xué)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(fā)現(xiàn)了DNA是遺傳物質(zhì)而獲得1969年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。從此后，噬菌體幫助分子生物學(xué)家攻城拔寨，接連在DNA和RNA聚合酶、連接酶、核酸內(nèi)切酶和核酸外切酶領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。
史密斯最初接觸噬菌體時(shí)，準(zhǔn)備用它來干一件當(dāng)時(shí)非常時(shí)髦的事：基因克隆。當(dāng)時(shí)科學(xué)家已經(jīng)知道基因是生產(chǎn)蛋白質(zhì)的“密碼”，但是生物體內(nèi)的基因成千上萬，要找到生產(chǎn)某個(gè)蛋白質(zhì)的那個(gè)特定基因無異于大海撈針。
當(dāng)時(shí)生物學(xué)家的普遍做法是把生物的基因組打碎，然后隨機(jī)插入到一種可以在細(xì)菌中擴(kuò)增的結(jié)構(gòu)——質(zhì)粒當(dāng)中。這樣就獲得了包含一個(gè)物種全部DNA片段的文庫，然后生物學(xué)家再一個(gè)一個(gè)去做基因測(cè)序和蛋白鑒定。當(dāng)時(shí)很多博士研究生主要的工作就是花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間克隆并鑒定一個(gè)基因。
史密斯在接觸噬菌體后產(chǎn)生了一個(gè)絕妙的想法：也許不必用細(xì)菌費(fèi)時(shí)費(fèi)力地去表達(dá)基因，把基因片段插入到噬菌體的衣殼蛋白基因中，那么它生產(chǎn)的蛋白質(zhì)片段就會(huì)成為衣殼蛋白的一部分。由于衣殼蛋白在噬菌體的最外面，這樣插入基因表達(dá)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(nèi)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(jìn)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(shí)別，證明了這種方法的可行性。1985年，史密斯發(fā)表了這種方法，并取名為“噬菌體展示”。
圖2：噬菌體展示原理（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）
噬菌體展示技術(shù)，第一次把蛋白和對(duì)應(yīng)的基因在一個(gè)極其簡(jiǎn)單的系統(tǒng)里直接建立了聯(lián)系，解決了之前分子生物學(xué)家最為頭痛的問題之一。
一時(shí)間，史密斯接到世界各地科學(xué)家索要其噬菌體展示系統(tǒng)的信件。史密斯也準(zhǔn)備大干一場(chǎng)，進(jìn)行多個(gè)基因的克隆鑒定。
科學(xué)的發(fā)展經(jīng)常難以預(yù)測(cè)。噬菌體展示還沒在基因克隆領(lǐng)域大展神威，卻成為另一群科學(xué)家——抗體工程科學(xué)家——的突破性武器。
抗體是免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的一種生物大分子，用來結(jié)合入侵機(jī)體的外來物從而保護(hù)機(jī)體?？贵w有個(gè)特性，就是和其識(shí)別的物質(zhì)（通常被稱為抗原）的結(jié)合具有很強(qiáng)的特異性?？贵w學(xué)家希望用這個(gè)特性來生產(chǎn)藥物。
很多藥物的設(shè)計(jì)是針對(duì)細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)的某個(gè)特定通路，這通常被稱為靶向藥。此前，要抑制某個(gè)通路，通常做法是篩選針對(duì)通路中某個(gè)酶的活性位點(diǎn)的小分子化合物?？贵w學(xué)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(chǎn)一般是用抗原免疫動(dòng)物而得到。通俗地說，把某種蛋白質(zhì)注射到小鼠體內(nèi)，小鼠就會(huì)產(chǎn)生針對(duì)這種蛋白的抗體。然后，用這種蛋白質(zhì)就可以把小鼠血液中的抗體給純化出來。這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且成本高昂。還有一個(gè)的問題是，如果用作藥物，動(dòng)物產(chǎn)生的抗體輸入人體會(huì)被人體免疫系統(tǒng)識(shí)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(shù)和抗體工程結(jié)合起，把抗體識(shí)別抗原的那部分（稱為抗體可變區(qū)）的DNA片段克隆進(jìn)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(jié)構(gòu)。（遺憾的是，Lerner未能獲得今年的諾獎(jiǎng)。）1990年，格雷戈里·溫特（Gregory Winter）實(shí)驗(yàn)室也發(fā)表文章，他們?cè)谑删w表面展示篩選了一種溶菌酶的抗體，還表達(dá)了這種抗體。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過噬菌體展示篩選出來的抗體在ELISA實(shí)驗(yàn)中和動(dòng)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(shí)驗(yàn)中，用特異的抗原去把能和其結(jié)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(jīng)具有和目標(biāo)抗原結(jié)合的特異性。篩選出來的噬菌體經(jīng)過突變并重復(fù)上面的過程，就可以得到結(jié)合力更高的抗體。經(jīng)過幾輪篩選，通?？梢缘玫教禺愋苑浅：玫目贵w（圖4）。這大大加速了抗體的篩選和生產(chǎn)。
圖4：利用噬菌體展示進(jìn)行抗體篩選原理（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）
史密斯發(fā)明噬菌體展示時(shí)，使用抗體去識(shí)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(shí)別。雖是概念簡(jiǎn)單的易位，卻大大拓寬了噬菌體展示應(yīng)用的范圍。
溫特利用這種技術(shù)成立了一家公司，并開發(fā)了一種針對(duì)人TNF-α的抗體。這個(gè)抗體就是后來聲名遠(yuǎn)播的阿達(dá)木單抗，用來治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等自身免疫疾病。從2002年獲批上市以來，阿達(dá)木成為銷售額最高的生物藥“藥王”，僅去年銷售額就達(dá)到184.3億美元。
現(xiàn)在，噬菌體展示技術(shù)正被大量用于抗體藥物的研發(fā)。在已經(jīng)上市數(shù)十種抗體藥物中，使用噬菌體展示技術(shù)研發(fā)就的有近10種。史密斯、溫特以及其它眾多科學(xué)家的天才構(gòu)想在三十年間徹底改變了抗體工業(yè)和制藥工業(yè)，也為人類健康事業(yè)做出了突破性的貢獻(xiàn)，獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)可以說是實(shí)至名歸。
參考文獻(xiàn)：
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
更多精彩文章：
女性的勝利：進(jìn)化的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)！
▼▼▼點(diǎn)擊“閱讀原文”，直達(dá)知識(shí)分子諾獎(jiǎng)主頁。
