基因测序第一人:不过是拿了两个诺贝尔奖的富二代

今天要介绍的是人类基因组学之父、 生命天书的解密者——弗雷德里克·桑格

 

桑格是谁?有什么研究贡献?有哪些神奇经历?

 

他的一生可以总结为:幼年生活富足,一辈子只做了两三个课题,更没有任何行政职务,甚至连个教授都不是,发的文章影响因子都不高,却得了两个诺贝尔奖,晚年种花种草种出了一个旅游景点,于2013年在熟睡中离我们而去。

 
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假如没有桑格的研究,就不会有第一代乃至现在新一代高通量基因测序仪的出现,也不会有“20世纪三大计划”之一“人类基因组计划”的开展,Google创始人谢尔盖·布林不会发现自己有罹患帕金森氏综合征基因,安吉丽娜朱莉不会得知自己有罹患乳腺癌的基因,更不会有现在精准检测、精准治疗。

 

1918年,桑格出生于英国,父亲是一名医生,母亲是富家千金,妥妥的富二代。桑格从小接受良好的教育,原本想跟随父亲从医,但高中毕业进入剑桥大学后,发现自己对生物化学兴趣浓厚,加之,当时剑桥拥有诸多生物化学先驱,从此便开始了他的生物化学科研生涯。

 

上学时,桑格表现平庸,性格内向,虽为理科生,但是数理学习对他而言相当晦涩,一次奖学金也没得过,不过谁让人家是富二代呢,优越的家境足以支撑他全额读完剑桥博士。

 

1944年,桑格在剑桥取得化学专业的博士学位,留校跟随正在研究胰岛素的生物化学教授开始了博士后研究——在地下室里紧挨着气味熏人的小白鼠笼旁专注于为氨基酸排序的工作。

 

环境差没工资,但他丝毫不在意反而乐在其中。

 
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似乎这份工作听起来相当简单。可是,在当时,人们只知道蛋白质是由氨基酸排列构成的生物大分子,但是对于氨基酸如何排列构成蛋白质研究空空如也。

 

可以想象我们的电话号码通常有11位由0-9排列组成,所有的排列加起来有900亿种。研究氨基酸排列问题的难度不言而喻,桑格一干就是10年。

 

在这里,桑格用自己发明的桑格试剂——2,4-二硝基氟苯化学试剂,把胰岛素中的长肽链分解成只含有两到三个氨基酸的短肽链。随后,再通过电泳等方法确定每个短肽链的头和尾的氨基酸次序。这还没完,桑格还要将测序好后的短肽链重新拼凑回原来的长链,以最终确定整个胰岛素的氨基酸序列。这样巨大工作量好比把拼接完整的“哆啦A梦”乐高积木拆开打乱,之后蒙着眼睛恢复原状。

 
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这10多年里,桑格每天“拆解——测序——拼接”无限循环。

 

1951年,桑格终于在这种无限循环中得到了收获——胰岛素是由两个长肽链构成的,酸性A链与碱性B链,一年后,他又研究清楚了A、B链上所有氨基酸的排列顺序。

 

1955年,历经12年桑格完成了胰岛素测序研究工作,并将牛胰岛素的详细结构公之于众,在Biochemical Journal(IF=3.9,2021)上发表了“The amide groups of insulin”,为人们打开了认识蛋白质,认识生命的第一道大门,也为1965年人工合成结晶牛胰岛素提供了可能性。

 
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1958年,桑格凭借对胰岛素结构的精确解析获得了第一次诺贝尔化学奖。

 

获得诺贝尔奖后,一连串的头衔、荣誉、采访接踵而至,不过桑格并不感兴趣,唯一感兴趣的就是升级实验室潜心搞科研。他谦逊地总结说:“我只是个一辈子在实验室里瞎胡混的家伙。”

 

在测序蛋白质的时候总是涉及到DNA测序问题,他便开始寻找DNA测序方法,久而久之他对此产生了浓厚兴趣。

 

当时沃森和克里克已经发现了DNA的双螺旋结构,但是结构上的核苷酸排列顺序人们知之甚少,难度也比研究胰岛素的氨基酸排序更为繁琐复杂。

 

桑格又开始了“拆解——测序——拼接”的无限循环游戏。

 
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他在研究笔记上写的最多的结论是:“这个方案就是浪费时间……得从头再来”。

 

桑格一心探索核算测序方法,于1970年在Biochemical Society Symposium(IF大概在1左右)发表了相关研究“Methods for determining sequences in RNA.”。

 
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其实吴瑞早在1968年就发表第一篇论文测定了DNA的碱基组成,1970年的新文章既测定DNA碱基组成又测定出顺序,是真正的DNA测序第一人。

 
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桑格在吴瑞先生工作的启发下,改进研究思路,终于在1977年,他以“DNA测序之父”吴瑞开创的破解基因密码“引物延伸法”为基础,发明了基因测序的“双脱氧链终止法(桑格法)”,并因此获得1980年的诺贝尔化学奖。

 
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横滨理化所做的一次384个反应的Sanger测序仪

 

1986年,美国的ABI公司(Applied Biosystems Inc.)基于桑格法原理发明了全球第一台商品化的平板电泳全自动测序仪ABI 370A,几年后推出了升级版ABI 3730全自动测序仪。

 

桑格法的原理催生了第一代测序技术乃至后来的高通量、单细胞等测序技术,成就了生命科学史上具有划时代意义的“人类基因组计划”,更将“基因测序” “遗传病筛查”“时空组学”等生物学术语带入了大众的视野。

 
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可以看出,2015年之前,基因测序基本以进口为主,而近几年华大智造把基因测序仪和耗材都进行了国产化,这些设备也以高性价比、充足的供能,良好的售后服务活跃在百多个国家。

 
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尹哥和华大测序平台

 

现在,基于华大高通量智能测序平台,测序成本不断降低,吃个汉堡价格就能做1G基因测序,在12年前想都别想……1个G数据的测序价格是17万人民币,这个过程离不开桑格等诸多前辈科学家们毕生的学术钻研,也离不开当代科学家们的不断创新。

 

希望通过一代又一代人的努力,让生命科学早点流行起来!

 

本文转载自公众号:尹哥聊基因

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