郭曉強

石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 體育系，石家莊 050081

表皮生長因子（epidermal growth factor,EGF）是一類具有促進細胞生長、增殖、生存和分化等作用的蛋白質(zhì)，正常情況下可促進傷口愈合、器官再生等生理過程，但過度激活則導(dǎo)致癌癥等疾病的發(fā)生。EGF的發(fā)現(xiàn)可追溯到20世紀60年代，而做出這項奠基性貢獻的是美國生物化學(xué)家斯坦利·科恩（Stanley Cohen）（圖1）[1]。

圖1 斯坦利·科恩（1922.11.17—2020.2.5）

蚯蚓的“肝臟”

1922年11月17日，科恩出生于美國紐約市布魯克林區(qū)一個猶太移民家庭。父母于20世紀初從俄國來到美國，父親是一位裁縫，母親是一名家庭主婦。盡管他們文化程度不高，但對教育都異常重視。一方面他們向科恩強調(diào)知識的重要性，另一方面盡其所能為科恩提供良好的教育環(huán)境。

科恩沒有辜負父母的期盼，不僅本身智力超群，而且也足夠努力，因此成績一直保持優(yōu)異，使他得以免費進入布魯克林學(xué)院。大學(xué)期間，科恩的主要興趣是細胞生物學(xué)，尤其是關(guān)于胚胎發(fā)育的奧秘，并且他深刻意識到化學(xué)在生物學(xué)領(lǐng)域中的巨大應(yīng)用潛力，初步確定了將來的科研方向?？贫鳟敃r的理念是，生物學(xué)家單純通過描述細胞形態(tài)很難推動生命科學(xué)的真正進步，只有充分掌握化學(xué)原理才能真正理解生命的奧秘。

1943年，科恩從布魯克林學(xué)院畢業(yè)并獲得化學(xué)/生物學(xué)雙學(xué)位。盡管十分熱愛科研，但他為了積攢足夠資金支付學(xué)費而進入當?shù)匾患遗Ｄ虖S工作，負責(zé)車間除菌工作。幸運的是，工作沒多久科恩就從大學(xué)期間的一位老師那里得到信息，他可申請奧伯林學(xué)院（Oberlin College）的免費碩士課程。在奧伯林學(xué)院，科恩跟隨麥克尤恩（Robert McEwen）開展蚯蚓解剖工作，并逐漸對科研產(chǎn)生真正的興趣。特別是有一次在實驗室，麥克尤恩詢問科恩，蚯蚓何種細胞與哺乳動物肝臟功能類似？這一問題使科恩無從回答。盡管最終麥克尤恩得出答案，就是蚯蚓腸道中一類特殊細胞，但這一經(jīng)歷對科恩的科研生涯產(chǎn)生深遠影響。1945年，科恩從奧伯林學(xué)院獲得動物學(xué)碩士學(xué)位。

隨后，科恩進入密歇根大學(xué)生物化學(xué)系跟隨劉易斯（Howard Lewis）繼續(xù)深造。當時生命科學(xué)的熱點是營養(yǎng)學(xué)，就是用不同配比的營養(yǎng)物飼養(yǎng)大鼠或兔子，然后通過分析尿液成分來確定何種氨基酸或其他物質(zhì)具有營養(yǎng)價值。但科恩認為這些研究缺乏吸引力，他更喜歡做的事是證明麥克尤恩的關(guān)于“蚯蚓腸道細胞具有哺乳動物肝臟功能”的論述是否正確。劉易斯尊重科恩的決定，允許他先用半年時間確定這一思路是否可行。

為不負師望，科恩迅速啟動自己的研究計劃，那就是檢測饑餓條件下（利用氨基酸作為營養(yǎng)物質(zhì)）蚯蚓腸道細胞是否具有生成尿素的能力（哺乳動物肝臟典型功能之一）。為完成課題，科恩需要在大學(xué)校園綠地中收集5 000多條蚯蚓，工作量可想而知。科恩對饑餓近一個月的蚯蚓腸道進行清洗，對清洗液利用尿素酶顯色實驗進行測定，發(fā)現(xiàn)有大量尿素生成，并且饑餓時間越長，尿素生成量越大。科恩又進一步將腸道特殊細胞分離后進行體外實驗，發(fā)現(xiàn)補充底物精氨酸可顯著提升尿素的生成。這些結(jié)果證明了科恩的預(yù)期，也就是蚯蚓腸道特殊細胞與哺乳動物肝臟細胞至少在尿素生成方面具有相似性[2]?？贫鲬{借這些工作獲得博士學(xué)位。對科恩而言，這項研究的更大價值在于“能夠找到自己感興趣的研究方向并義無反顧地去做，不必太在意這項研究的重要性”。這一理念也成為科恩后來開展科學(xué)研究的指導(dǎo)原則——“興趣高于一切”。

1948年，科恩獲得博士學(xué)位后進入科羅拉多大學(xué)兒科和生物化學(xué)系。由于博士期間代謝研究的經(jīng)歷，他負責(zé)早產(chǎn)兒的代謝研究，而其興趣也從動物學(xué)轉(zhuǎn)向代謝?？贫鞴ぷ饕欢螘r間后獲悉放射性同位素示蹤在代謝通路研究方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，因此于1952年進入華盛頓大學(xué)放射系跟隨凱門（Martin Kamen）開展研究，采用同位素示蹤研究青蛙卵和胚胎二氧化碳代謝。

當時華盛頓大學(xué)英才輩出，聚集了眾多有思想的科學(xué)家。為更好地推動科學(xué)發(fā)展，他們組建了一個科學(xué)討論班，成員包括科恩伯格（Arthur Kornberg，1959年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者）、伯格（Paul Berg，1980年諾貝爾化學(xué)獎獲得者）、科恩和凱門等。討論班的主要活動就是大家聚集在一起，就當前生命科學(xué)前沿或自己的科學(xué)思想開展深入討論?？贫髅看味冀?jīng)過精心準備，一方面發(fā)表自己的觀點，另一方面也從中獲取知識，特別是一些科學(xué)研究的基本邏輯。他認識到，真正的科學(xué)爭論結(jié)果并非一定產(chǎn)生共識，關(guān)鍵要從中汲取營養(yǎng)為己所用。以DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)表后的看法為例，一部分討論班成員認為是天才想法，另一部分則將它看作紙上談兵，幾無用處。通過耳濡目染，科恩進一步意識到個人認為正確的事情就應(yīng)義無反顧地繼續(xù)，而非過多考慮其他人的看法，當然有價值的建議還應(yīng)采納。雖然參與科學(xué)討論，但科恩當時尚未形成一個穩(wěn)定的研究方向，而后來的機緣巧合為他的科研帶來新生。

蛇毒的秘密

早在20世紀40年代，意大利女科學(xué)家蒙塔爾奇尼（Rita Levi-Montalcini）以雞胚胎為材料證明胚芽具有神經(jīng)生長誘導(dǎo)作用[3]。二戰(zhàn)后，蒙塔爾奇尼應(yīng)邀來到美國華盛頓大學(xué)漢伯格（Viktor Hamburger）實驗室繼續(xù)研究神經(jīng)誘導(dǎo)機制，卻在進一步的實驗中意外發(fā)現(xiàn)小鼠腫瘤肉瘤也具有類似功能。由于這一發(fā)現(xiàn)意味著神經(jīng)誘導(dǎo)現(xiàn)象具有普遍性，他們決定探尋這一現(xiàn)象背后的秘密。遺憾的是，蒙塔爾奇尼和漢伯格都不是生物化學(xué)家，因此他們?nèi)トA盛頓大學(xué)其他系尋求生物化學(xué)背景的“新人”加入研究小組。正處于科研“待業(yè)”階段的科恩就被推薦到這一項目，而擁有生物化學(xué)背景的他本身又對胚胎學(xué)感興趣，因此摩拳擦掌準備施展自己的才華[4]。這是一次完美的科學(xué)合作！雖然科恩對神經(jīng)胚胎學(xué)了解不多，而蒙塔爾奇尼他們也對生物化學(xué)理解不深，但可貴的是，他們能互相信任和尊重，這是保障實驗順利進展的關(guān)鍵。他們對科研內(nèi)容進行嚴格分工，科恩負責(zé)活性物質(zhì)的純化和本質(zhì)分析，蒙塔爾奇尼負責(zé)檢測純化物的生理活性。

科恩采用經(jīng)典生物化學(xué)純化方法，首先將腫瘤細胞碾磨，然后進行初步分離。由于當時層析分離法尚不普及，研究人員通常采用高鹽沉淀法制備粗提物，并將不同分離物進行神經(jīng)生長活性檢測，從而鑒定出具有促神經(jīng)生長的粗提物成分?？贫鲗ζ渖锉举|(zhì)進一步分析后發(fā)現(xiàn)，該物質(zhì)不耐熱，無法透過半透膜，并且使用蛋白酶處理可導(dǎo)致失活，因此推測是一類蛋白質(zhì)性質(zhì)的分子。在將這一結(jié)果進行科學(xué)討論時，科恩伯格給科恩提出一個重要建議，使用磷酸二酯酶處理且破壞所有核酸后檢測其生理活性[5]。

科恩將從蛇毒中提取的磷酸二酯酶加入腫瘤粗提液，在反應(yīng)一段時間后檢測神經(jīng)誘導(dǎo)活性。結(jié)果出乎意外，腫瘤粗提液活性不僅沒有減弱，反而促進作用更強?？贫髯畛跽J為磷酸二酯酶破壞了腫瘤粗提物中的抑制性成分，但進一步研究發(fā)現(xiàn)，單純使用磷酸二酯酶也可促進神經(jīng)生長。真相原來是蛇毒來源的磷酸二酯酶不純，其中含有活性更好的促神經(jīng)生長的物質(zhì)。因此，科恩轉(zhuǎn)而從蛇毒中提取活性物質(zhì)，并將其命名為神經(jīng)生長因子（nerve growth factor,NGF）。

科恩基于自己的科研經(jīng)歷推測，既然蛇毒由蛇的唾液腺分泌，理論上哺乳動物對應(yīng)物也應(yīng)有類似功能，因此他收集了一只雄性小鼠的唾液腺，然后將其碾碎制備提取物。體外實驗表明科恩這個設(shè)想完全正確，小鼠唾液腺提取物體外確實具有神經(jīng)生長促進能力。下一步是體內(nèi)實驗，即使用小鼠唾液腺粗提物注射到小鼠體內(nèi)。部分結(jié)果符合預(yù)期，小鼠神經(jīng)發(fā)育確實得到改善；同時也出現(xiàn)意想不到的結(jié)果，小鼠牙齒提前長出和眼簾提前打開。后來科恩幽默地描述當時的情形：我靜靜觀察著這些出生不久的小鼠，而可愛的小家伙也懵懂地注視著我，大家都在疑惑故事原本不應(yīng)該這樣?？贫麟S后使用蛇毒粗提物重復(fù)小鼠體內(nèi)實驗，但并未觀察到小鼠牙齒提前長出和眼簾提前打開的現(xiàn)象，從而說明小鼠唾液腺除NGF外還應(yīng)存在其他活性成分，而正是這些成分促進小鼠異常表現(xiàn)[6]。

雄鼠唾液腺促生長成分

1959年，科恩離開華盛頓大學(xué)到范德堡大學(xué)（Vanderbilt University）生物化學(xué)系擔(dān)任助理教授，繼續(xù)研究小鼠牙齒提前長出之謎?？贫鬟M一步采用最新的層析分離法從小鼠唾液腺純化到一種活性成分——該成分不能透過透析膜，具有抗原性等特征，表明是一種蛋白質(zhì)。最初該活性成分被命名為“牙齒-眼瞼因子”（tooth-lid factor）[7]，但深入研究發(fā)現(xiàn)該因子生理功能實際上通過促進表皮細胞增殖實現(xiàn)，因此重新命名為表皮生長因子（epidermal growth factor,EGF）[8]。隨著生命科學(xué)的快速發(fā)展，科恩開發(fā)出快速純化小鼠EGF的方法，最終于20世紀70年代初獲得足夠量的高純度EGF，并采用蛋白質(zhì)測序方法確定一級結(jié)構(gòu)：其由53個氨基酸殘基組成，內(nèi)部有3對二硫鍵（圖2a）[9]。

圖2 科恩的科學(xué)貢獻：（a）小鼠EGF一級結(jié)構(gòu)；（b）EGF作用機制；（c）EGFR結(jié)構(gòu)；（d）HER2臨床應(yīng)用

科恩對小鼠EGF體外功能進行了廣泛研究，發(fā)現(xiàn)其不僅對小鼠細胞具有促增殖作用，而且對人成纖維細胞也具有活性?；诖?，科恩推測人類也應(yīng)存在EGF。由于人無法像小鼠那樣摘取唾液腺，科恩將目光轉(zhuǎn)向無創(chuàng)尿液，并最終在人類尿液中發(fā)現(xiàn)EGF。人和小鼠的EGF高度同源，均具有促進細胞生長和增殖等能力。這一發(fā)現(xiàn)一方面證明進化上的保守性，另一方面也暗示其普適性。

科恩隨后考慮下一個關(guān)鍵問題，那就是EGF促進細胞增殖的分子機制。按照當時的主流觀點，細胞膜上應(yīng)存在特異性識別EGF并傳導(dǎo)其活性的受體（receptor）?？贫餮芯堪l(fā)現(xiàn)，EGF在體外確實可與人成纖維細胞可逆性結(jié)合，部分結(jié)合的EGF可啟動受體介導(dǎo)的內(nèi)吞，最終在溶酶體內(nèi)被降解?？贫鬟€進一步使用從癌細胞制備的細胞膜組分確定細胞表面確實存在大量EGF受體（EGFR），這些受體結(jié)合EGF后首先引發(fā)自身磷酸化，然后進一步磷酸化細胞內(nèi)中介蛋白，最終實現(xiàn)細胞增殖效應(yīng)（圖2b）。最初EGFR被認為是一種傳統(tǒng)的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，但后來被糾正為賴氨酸蛋白激酶。EGFR結(jié)構(gòu)主要包括三部分：細胞外為特異性識別EGF的部分，中間為跨膜結(jié)構(gòu)，細胞內(nèi)為活性結(jié)構(gòu)（磷酸化）（圖2c）。

與科恩尋找EGFR同時開展的工作是鑒定癌基因。結(jié)構(gòu)分析意外發(fā)現(xiàn)，一類癌基因與EGFR具有高度同源性，從而殊途同歸，即正常EGFR具有促進細胞增殖的活性，而癌基因的功能在于促進惡性轉(zhuǎn)變、失控增殖的效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)為癌癥治療提供了重要思路。人類共有4種生長因子受體，分別命名為HER1～4，它們的功能異常均與癌癥發(fā)生有關(guān)，其中HER1和HER2最為關(guān)鍵，HER1功能獲得性基因突變（激酶過度激活）是引起非小細胞肺癌的常見原因，而HER2基因擴增（產(chǎn)生過量HER2分子）是乳腺癌的發(fā)生原因之一。這些特征為癌癥靶向治療提供了重要思路。臨床上常用的HER1小分子抑制劑易瑞沙和特羅凱在治療肺癌方面取得理想療效，而HER2單克隆抗體赫賽?。℉erceptin）更是成為治療乳腺癌的神奇藥物。赫賽汀能夠有效降低乳腺癌復(fù)發(fā)風(fēng)險，提升患者生存質(zhì)量和延長生存時間，已為幾百萬乳腺癌女性帶來福音[10]。在赫賽汀開發(fā)中做出卓越貢獻的三位科學(xué)家（H.Michael Shepard、Dennis J.Slamon和Axel Ullrich）也因此分享了2019年美國拉斯克臨床醫(yī)學(xué)研究獎。

“生長因子”一詞是指天然的蛋白能刺激細胞增殖和細胞分化。生長因子具有調(diào)節(jié)細胞各類活動的功能，通常分泌到細胞外充當細胞間的信號分子。生長因子結(jié)合到靶細胞表面的特異受體上，通常促進細胞分化和成熟。當然，因生長因子不一，其功能也多樣。例如，骨形成蛋白刺激骨細胞的分化，而血管內(nèi)皮生長因子刺激促進血管內(nèi)皮細胞增殖。

NGF和EGF的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了一個全新的研究領(lǐng)域，隨后大量生長因子被發(fā)現(xiàn)，著名的如成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor,FGF）、血小板來源生長因子（platelet-derived growth factor,PDGF）、類胰島素生長因子-1（insulin-like growth factor 1,IGF-1）等，同時它們的相應(yīng)受體也被鑒定成功。這些受體具有類似結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱為受體酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase,RTK）。這些進展一方面拓展和深化了對諸多生命現(xiàn)象的理解，另一方面還具有廣泛的應(yīng)用價值。目前最主要的一類小分子靶向藥物都是這些受體酪氨酸激酶的抑制劑[11]。生長因子的研究歷程充分說明了國家對基礎(chǔ)科學(xué)資助的重要性。

永葆初心

隨著生長因子重要性的不斷體現(xiàn)，科恩獲得的科學(xué)獎項也接踵而來，主要包括1985年加拿大加德納獎（Gairdner Foundation International Award）、1986年美國拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎、1986年與蒙塔爾奇尼分享的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎、1986年的美國科學(xué)獎?wù)?，在重大科學(xué)獎項方面稱得上大滿貫。

1999年，科恩從范德堡大學(xué)退休，但仍以榮譽教授的身份經(jīng)常回校參與科學(xué)討論，積極鼓勵和支持年輕科研人員的發(fā)展。他還熱衷于參加公眾科普，一直強調(diào)科研興趣要從娃娃抓起，鼓勵高中生從事科學(xué)探索?？贫鬟€擁有豐富的業(yè)余生活，盡管因兒時患小兒麻痹而造成腿腳不便，但仍堅持體育運動，尤其熱愛網(wǎng)球。

2020年2月5日，科恩在美國田納西州首府納什維爾（Nashville）一家療養(yǎng)院去世，享年97歲[12-13]。范德堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院院長巴爾澤（Jeff Balse）對科恩的成就評價為：EGF的發(fā)現(xiàn)為多個生命學(xué)科的發(fā)展奠定了堅實的工作基礎(chǔ)，深化了對多種疾病的理解和認識，尤其在改變?nèi)驍?shù)百萬癌癥患者治療效果方面更是功不可沒。

科恩是一位純粹的科學(xué)家，從未想過成果轉(zhuǎn)化，研究出發(fā)點完全是好奇心和個人興趣。當然，這也與二十世紀六七十年代的科學(xué)氛圍有關(guān)?？贫鲙资陙淼目蒲猩暾埬康木褪翘剿鞅砥どL因子的結(jié)構(gòu)、作用和分子機制，未提及應(yīng)用，但仍得到持續(xù)的支持。今天的科研活動過于看重實際轉(zhuǎn)化和商業(yè)價值，反而淡化了科學(xué)的目的在于探索自然界奧秘這一重要使命。在科學(xué)目標越來越功利化的今天，科恩式的純粹科學(xué)家越來越少，因此其精神更顯彌足珍貴。

科恩比較推崇 “小作坊式”的科研模式，自己帶著幾個人的小團隊（包括研究生、博士后和技術(shù)員等）孜孜不倦探尋EGF的奧秘。在這種模式下，科恩高度強調(diào)偶然性在科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程中的重要性，因為許多結(jié)果無法提前預(yù)測。2007年，科恩在與高中生的一次對話中提到“許多新事物都是偶然發(fā)現(xiàn)”。科恩還以自己研究NGF和EGF的歷程進行說明，從腫瘤細胞到蛇毒再到小鼠唾液腺，有時一個不經(jīng)意的選擇就可能帶來完全不一樣的結(jié)果?？贫骰貞涀约哼M行小鼠唾液腺提取實驗時選的是雄性小鼠，這個選擇至關(guān)重要，因為后來發(fā)現(xiàn)雄性小鼠唾液腺中EGF水平明顯高于雌性小鼠，這就意味著當時如選擇雌性小鼠唾液腺，那么由于含量低而現(xiàn)象不明顯，最終可能錯失這一重大發(fā)現(xiàn)。因此，科學(xué)發(fā)現(xiàn)的很多歷程可用“有心栽花花不開，無心插柳柳成蔭”來描述。

科恩總結(jié)做科學(xué)家的四大要素：摯愛學(xué)習(xí)、善于溝通、不怕提問、興趣驅(qū)動。盡管科恩做出卓越的科學(xué)貢獻并獲得諾貝爾獎，但由于謙遜的性格和低調(diào)的處事風(fēng)格，其知名度不是太高。對于生命科學(xué)領(lǐng)域的人士而言，提及科恩大家可能更多地想到另一位科學(xué)家——基因工程奠基人斯坦利·諾曼·科恩（Stanley Norman Cohen）。因此，撰寫此文的目的在于加深對這位斯坦利·科恩科學(xué)貢獻的理解和認識。