解碼“基因組學之父”桑格：測序，測序，測序

　　“桑格當之無愧地被稱為‘基因組學之父’，他的工作為人類讀取和理解基因代碼奠定了基礎，徹底變革了生物學并極大促進了當今的醫學發展。”、

　　有一天，65歲的英國生物化學家弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)突然停下手中的試驗，轉身走出實驗室，宣布自己正式退休。那一年是1983年。因為他覺得，自己的年紀已經足夠大了，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了人們的視野。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院安然離世，享年95歲。弗雷德里克·桑格這個名字，以及與他有關的種種傳奇往事，再度被世人的記憶所喚醒。

　　在分子生物學、生物化學等學科領域的教科書中，以桑格的名字命名的試劑、測序法是無法繞過的經典教學內容，桑格也由此被今天的年輕學子們奉為“祖師爺”級的人物。

　　事實上，兩次獲諾貝爾獎，就足以說明桑格在世界科學界所擁有的分量和地位。因完整測定了胰島素的氨基酸序列，證明蛋白質具有明確構造，桑格獨享1958年諾貝爾化學獎;上世紀70年代末，他提出快速測定脫氧核糖核酸(DNA)序列的技術“雙脫氧終止法”，即被稱作“桑格法”的雙脫氧核苷酸鏈終止法，與另外兩名科學家共享1980年諾貝爾化學獎。

　　在科學史上，桑格成為繼瑪麗亞·居里、萊納斯·鮑林、約翰·巴丁之后，第四位兩度獲頒諾貝爾獎，且是迄今為止唯一兩次獲得化學獎的科學家。

　　英國維康信托基金會主席杰里米·法萊爾評價：“桑格當之無愧地被稱為‘基因組學之父’，他的工作為人類讀取和理解基因代碼奠定了基礎，徹底變革了生物學并極大促進了當今的醫學發展。”

　　從認識蛋白質開始

　　1918年8月13日，桑格出生于英國格洛斯特郡，父親是一名內科醫師，曾作為傳教士在中國短暫工作，后因健康原因返回英國，母親則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學界，但高中畢業進入劍橋大學學習后，轉而對生物化學產生了濃厚興趣，決定成為一名科學家。而當時的劍橋，正好擁有諸多生物化學先驅。

　　上學時桑格表現平平，從中學一直到博士畢業之前，他幾乎沒有獲得過任何獎學金，然而父母也沒有一味要求他在考試中取得高分，而是盡量給他一個寬松的家庭環境，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專業的博士學位，留校跟隨正在研究胰島素的生物化學系新任教授阿爾伯特·查爾斯·奇布諾爾開始了博士后研究，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，就有可能導致糖尿病。科學家開始關注胰島素的生化性質，不僅僅因為它具有醫學的應用前景，還因為它是當時僅有的幾種能夠被提純的蛋白質。

　　在桑格涉足胰島素研究之時，世界生物學界對于蛋白質的認知存在較大分歧，一種觀點認為，蛋白質沒有明確的化學組成和結構;而另一派則堅持認為蛋白質具有結構，并且可以通過化學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個氨基酸序列。他發現了一種方法，可以截斷連接氨基酸鏈的“橋”，這使得他可以研究單個的氨基酸片段，然后他又將這些片段重新組合成氨基酸長鏈，進而推導出完整的胰島素結構。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。”中國科學院院士、分子生物學家洪國藩告訴《中國科學報》記者，桑格在科學界對蛋白質的認識還很匱乏的情況下，不但明確回答了蛋白質具有結構，而且成為世界上第一個搞清楚其氨基酸排列順序的人。

　　1965年，我國科學家用人工方法合成了具有生物活性的結晶牛胰島素，在世界上首次實現蛋白質的人工合成。在洪國藩看來，我國科技史上這項與“兩彈一星”齊名的偉大成就，是桑格的研究與中國科學最為直接而緊密的連接點。

　　“如果沒有桑格搞清楚胰島素的結構，我們就沒有辦法進行人工合成。”洪國藩說，更為重要的是，中國科學家成功實現胰島素的人工合成，反過來支持并證明了桑格蛋白質測序的正確性。

　　桑格測定蛋白質序列的方法至今仍有應用，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則被稱作“桑格反應”。這項工作為他贏得了第一個諾貝爾獎。

　　“測序，測序，測序”

　　獲得1958年的諾貝爾化學獎之后，來自世界各地的訪學和學術報告邀請紛至沓來，而桑格卻并不打算離開自己所鐘愛的實驗室生活，他一一婉拒，繼續躬耕實驗。

　　1962年，桑格參與籌建了隸屬于英國醫學研究委員會的分子生物學實驗室，這個實驗室后來成為世界生命科學領域的“研究圣地”，迄今為止誕生了13位諾貝爾獎獲得者。然而作為創建元老的桑格，卻始終沒有擔任太多職務，因為“參與管理事務太痛苦了”。

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

　　而對于桑格此后致力于發明一種全新的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。

　　曾在英國牛津大學留學的中科院北京生命科學研究院副院長高福告訴記者，當時有很多科學家在分子生物學實驗室排隊測序，桑格也不例外。然而有一天，排隊等待的低效率讓桑格很是煩惱，于是，他決心要從漫長的隊伍中離開，自己去發明一種更為快速的測序方法。

　　“原本排著隊就能在Nature或Science這樣的雜志上發篇論文，可是桑格說他不排隊了，要去做一個創新性的新方法。”高福說，桑格的選擇，也從一個側面印證了英國科學界優良的創新型研究傳統。

　　桑格最先想到了自己曾用于蛋白質測序的“拼圖法”，但他很快發現這種手段在面對信息量龐大的DNA時毫無用武之地。自認為并不聰明的桑格，曾說自己“只是個一輩子在實驗室里瞎胡混的家伙”，埋頭實驗室成為他的“成功密鑰”。

　　最終，后來被稱為“桑格法”的“雙脫氧終止法”測序技術應運而生，他利用該技術成功定序出一種噬菌體的基因組序列。這也是科學家首次完整的基因組定序工作。相較于當時其他的DNA測序方法，桑格的技術使用了較不具毒性的材料。這一系列工作，為他贏得了第二次諾貝爾獎。

　　桑格兩次獲諾獎的研究，都涉及生物大分子的一級結構及其測序，英國醫學研究理事會前主任科林·布萊克莫爾評價，桑格發明的兩項技術打開了分子生物學、遺傳學和基因組學研究領域的大門。

　　隨著基因組研究的飛速發展，科學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的“桑格法”，成為1990年正式啟動的“人類基因組”計劃得以順利開展的關鍵。

　　因為厭煩了排隊，桑格轉而自己研究起新的DNA測序方法。關于這段有些傳奇色彩的故事，高福認為它對當下中國的科學界有很大啟發。“如果桑格只是排著隊在Nature上發了幾篇論文，那么相對于發明一種新的測序方法來說，究竟哪個貢獻大呢?”

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

　　“在我們當前的科學環境中，大家急急忙忙多發了幾篇論文，數量上去了不少，但是對于科學的真正貢獻究竟在哪里呢?”在高福看來，桑格的追求和成就值得今天的中國科學家深思。

　　“高級技術員”的歷史價值

　　桑格被認為是“20世紀英國科學的英雄人物”，他在65歲時宣布退休的決定讓很多人詫異。而他解釋說，到了這般年紀還作研究，如果達不到自己期望的水準心里會覺得不安，不如把位置讓給年輕人。

　　1993年，英國維康信托基金會和醫學研究理事會在劍橋大學成立了桑格中心，后改名為桑格研究院。有趣的是，這所以桑格的名字命名的著名研究機構有一項觀光項目，就是帶著大家去欣賞桑格退休后精心打理的花園。

　　回望科學生涯，桑格在為自己所寫的唯一一篇自傳中總結道：“對于科學家來說，行動就是做實驗。”

　　因為桑格的重要貢獻都是在生物大分子的測序技術方面，曾有另一位諾獎獲得者對桑格作出這樣的評價：“他是一個高級技術員。”

　　“這樣的評價其實并沒有錯。桑格確實擁有很強的技術能力，而且，他所發明的技術非常重要。”高福說，對于科學家而言，找到適合自己個性的角色至關重要。

　　而在中科院北京基因組所研究員于軍看來，技術有其“時效性”的問題，盡管桑格的蛋白質測序技術和DNA測序技術今天還有應用，但使用范圍已經非常有限。因此，桑格的貢獻，要放在歷史的大背景下來理解。

　　“諾貝爾獎頒發給從事技術方法研究的科學家，這種情況并不多見，更多的是因為科學發現而獲獎。”于軍說，桑格發明的測序技術正是他在科學界能夠擁有獨特地位的標志性特征。

　　“沒有桑格對測序技術的發明，就沒有基因組學的概念出來。”正致力于新一代測序儀研究的中科院北京基因組研究所副研究員任魯風評價說，“桑格法”是一個里程碑式的DNA測序技術。

　　1980年，應中科院上海生物化學研究所時任所長王應睞的邀請，桑格曾來到中國進行短暫訪問。“參觀交流中他發現，有些實驗藥品、生物制品我們買不到，桑格就一一記下來，回到英國后的一個禮拜之內，他就把那些用品寄往中國。”洪國藩院士回憶。

　　洪國藩在劍橋進修期間曾跟隨桑格從事研究，兩人結下深厚友誼。在他的印象中，桑格性格溫和，但也不是很多人以為的沉默寡言。“每當聽到你有新的科學想法，他就會非常高興。”洪國藩認為，正是興趣和專注成就了桑格輝煌的科學人生。