天才的接力：从噬菌体到“药王” | 2018诺奖

图1：史密斯教授10月3日凌晨在家中接到诺奖委员会的电话（图片来源：Marjorie Sable via AP）

前言

     昨天，得知乔治·史密斯（George Smith）教授获得今年诺贝尔化学奖，我很为其感到高兴。2009年我到美国密苏里大学癌症研究中心Abraham Eisenstark教授的实验室学习。当时实验室的冰箱里有数千种噬菌体，我翻看实验室日志时发现其中很多来自史密斯实验室。后来史密斯来实验室交流时，我才知道当年Eisenstark教授在密苏里大学任生命科学院院长时，在一次和史密斯的交谈中对其各种奇思妙想大加赞赏，于是把史密斯招募进密苏里大学。在史密斯的影响下，Eisenstark对噬菌体产生了浓厚兴趣，并倾注了后半生的时间。

       Eisenstark教授不止一次在实验室里说道：史密斯是个真正的天才，他迟早会成为密苏里大学第一位获得诺贝尔奖的教授，希望我能活到那一天。

      幸运的是，史密斯教授终于迎来了他的荣誉；不幸的是，上个月Eisenstark教授已经与世长辞，未能见证这历史性的一刻。

      谨以此文祝贺史密斯教授获得诺奖，并纪念Eisenstark教授。

撰文 | 王承志（北京大学医学博士）

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20世纪80年代上半叶的时候，史密斯开始研究噬菌体。

噬菌体是一种感染细菌的病毒，虽然个头小，却是当时分子生物学家所钟爱的物种之一，因为其结构简单，培养方便，但却蕴含着分子生物学家所关心的很多基本的生物学问题。

阿尔弗雷德·赫尔希（Alfred Hershey）和玛莎·蔡斯（Martha Chase）因使用噬菌体为材料发现了DNA是遗传物质而获得1969年诺贝尔生理学或医学奖。从此后，噬菌体帮助分子生物学家攻城拔寨，接连在DNA和RNA聚合酶、连接酶、核酸内切酶和核酸外切酶领域取得突破性进展。

史密斯最初接触噬菌体时，准备用它来干一件当时非常时髦的事：基因克隆。当时科学家已经知道基因是生产蛋白质的“密码”，但是生物体内的基因成千上万，要找到生产某个蛋白质的那个特定基因无异于大海捞针。

当时生物学家的普遍做法是把生物的基因组打碎，然后随机插入到一种可以在细菌中扩增的结构——质粒当中。这样就获得了包含一个物种全部DNA片段的文库，然后生物学家再一个一个去做基因测序和蛋白鉴定。当时很多博士研究生主要的工作就是花费数年的时间克隆并鉴定一个基因。

史密斯在接触噬菌体后产生了一个绝妙的想法：也许不必用细菌费时费力地去表达基因，把基因片段插入到噬菌体的衣壳蛋白基因中，那么它生产的蛋白质片段就会成为衣壳蛋白的一部分。由于衣壳蛋白在噬菌体的最外面，这样插入基因表达出来的蛋白片段就可以“展示”在噬菌体的表面。

史密斯把一种常用的限制性内切酶EcoRI的基因片段插入到丝状噬菌体M13的衣壳蛋白基因III里进行了尝试。果然如他所料，EcoRI的片段在噬菌体表面被其特异性抗体所识别，证明了这种方法的可行性。1985年，史密斯发表了这种方法，并取名为“噬菌体展示”。

图2：噬菌体展示原理（图片来源：参考文献2）

噬菌体展示技术，第一次把蛋白和对应的基因在一个极其简单的系统里直接建立了联系，解决了之前分子生物学家最为头痛的问题之一。

一时间，史密斯接到世界各地科学家索要其噬菌体展示系统的信件。史密斯也准备大干一场，进行多个基因的克隆鉴定。

科学的发展经常难以预测。噬菌体展示还没在基因克隆领域大展神威，却成为另一群科学家——抗体工程科学家——的突破性武器。

抗体是免疫系统产生的一种生物大分子，用来结合入侵机体的外来物从而保护机体。抗体有个特性，就是和其识别的物质（通常被称为抗原）的结合具有很强的特异性。抗体学家希望用这个特性来生产药物。

很多药物的设计是针对细胞信号传导的某个特定通路，这通常被称为靶向药。此前，要抑制某个通路，通常做法是筛选针对通路中某个酶的活性位点的小分子化合物。抗体学家觉得，抗体的良好特异性也可以让其很好地完成同样的工作。

但是，抗体的生产一般是用抗原免疫动物而得到。通俗地说，把某种蛋白质注射到小鼠体内，小鼠就会产生针对这种蛋白的抗体。然后，用这种蛋白质就可以把小鼠血液中的抗体给纯化出来。这种方法费时费力，且成本高昂。还有一个的问题是，如果用作药物，动物产生的抗体输入人体会被人体免疫系统识别为外来抗原而迅速消灭掉。

1989年，Richard Lerner和同事把噬菌体展示技术和抗体工程结合起，把抗体识别抗原的那部分（称为抗体可变区）的DNA片段克隆进噬菌体的衣壳蛋白基因中，从而在噬菌体表面展示了抗体的结构。（遗憾的是，Lerner未能获得今年的诺奖。）1990年，格雷戈里·温特（Gregory Winter）实验室也发表文章，他们在噬菌体表面展示筛选了一种溶菌酶的抗体，还表达了这种抗体。经过实验，发现经过噬菌体展示筛选出来的抗体在ELISA实验中和动物来源的抗体一样好用。

图3：格雷戈里·温特（图片来源：Cambridge Innovation Capital plc）

在温特的实验中，用特异的抗原去把能和其结合的噬菌体给筛选出来，这些噬菌体表面展示的抗体片段已经具有和目标抗原结合的特异性。筛选出来的噬菌体经过突变并重复上面的过程，就可以得到结合力更高的抗体。经过几轮筛选，通常可以得到特异性非常好的抗体（图4）。这大大加速了抗体的筛选和生产。

图4：利用噬菌体展示进行抗体筛选原理（图片来源：参考文献2）

史密斯发明噬菌体展示时，使用抗体去识别表面展示有特定抗原的噬菌体。而温特反其道而行之，使用噬菌体展示抗体，再用抗原去识别。虽是概念简单的易位，却大大拓宽了噬菌体展示应用的范围。

温特利用这种技术成立了一家公司，并开发了一种针对人TNF-α的抗体。这个抗体就是后来声名远播的阿达木单抗，用来治疗类风湿性关节炎等自身免疫疾病。从2002年获批上市以来，阿达木成为销售额最高的生物药“药王”，仅去年销售额就达到184.3亿美元。

现在，噬菌体展示技术正被大量用于抗体药物的研发。在已经上市数十种抗体药物中，使用噬菌体展示技术研发就的有近10种。史密斯、温特以及其它众多科学家的天才构想在三十年间彻底改变了抗体工业和制药工业，也为人类健康事业做出了突破性的贡献，获得诺贝尔化学奖可以说是实至名归。

参考文献：

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

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