著名美籍华人分子生物学家吴瑞教授*

　　摘　要　著名美籍分子生物学家吴瑞教授对DNA生物化学及分子生物学的数个领域做出过重大贡献。他在国际上第一个建立了DNA核苷酸顺序的测定方法（1971年），他的策略是利用能定位的引物加以延伸合成新的有标记的DNA，这个基本策略改进后成为桑格的DNA快速测序法和穆利斯的DNA扩增的聚合酶链式反应（PCR）技术的基础。吴瑞教授和同事们首创了以合成的寡核苷酸衔接头和衔接子来提高平末端DNA克隆的效率的方法，该法现已成为生物工程中的一种常规方法。他领导的研究组在水稻生物技术领域也取得了突破性成果，已初步成功培育出具有抗虫、耐旱、耐盐、耐寒特性的转基因超级水稻。吴瑞教授对中国科学事业的促进和发展也起了重要做用，他不仅多次回国讲学，而且为海峡两岸发展生物科学献计献策，是中国生物工程发展的首倡者之一。他发起了中美生物化学联合招生项目（CUSBEA），以帮助中国在美国培养资深生命科学人才。此外，他还为促进中美科技交流与合作以及两国间的友谊发展作出了贡献。
　　关键词　吴瑞，美藉华人，分子生物学家，传记
　　中图法分类号　K826.1

　　笔者对于美籍著名分子生物学家吴瑞教授的大名仰慕已久。80年代初，在中国科学技术大学念书时，生物化学老师讲DNA序列分析时曾提到过他；不久，又得知他是CUSBEA项目的发起者，1982—1984年间笔者所在的8系78级同学中大约有10位是因着该项目赴美深造。以后，在从事中国近现代生理学史研究时意外地发现，他就是中国生物化学的创始人吴宪教授的长子，一种要了解他的生平事迹、科学贡献的念头自此萌发。经历数载的资料收集和对吴瑞教授本人的多次访问以及对一些了解他的先生的采访，在此基础上终于作成此文，以馈诸位有兴趣者并庆贺吴瑞教授70华诞。

1　生平概述

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图1　吴瑞教授(1996年10月)

　　吴瑞教授(Wu, Ray Jui)1928年8月14日生于北京，祖籍福建省福州市，1961年2月加入美国籍。父亲吴宪^［1］，母亲严彩韵^［2］。吴瑞在家中的5个子女中排行第三，是长子。他的父母虽然对孩子们寄予较高的期望，但除了讲明道理外，并没有过多的干涉，而是给他们一个比较能自由发展的空间和机会。自幼性格活泼的吴瑞在母亲办的明明学校接受了良好的小学教育后，又在著名的育英中学度过了6年（1939—1945年）。虽说比较贪玩，在音乐和体育方面颇有特长，但受家庭环境的熏陶和父母潜移默化的影响，他很自然地学上了自然科学（生物化学），并以此为终生职业。
　　由于时局关系，吴瑞先后就读于北京的辅仁大学（1945—1946年）和燕京大学（1946—1948年底）。在校期间，他是个活跃分子：自上中学起，他就是学校歌咏队成员和团契活动的积极分子；上燕京大学后，除了上述活动外，他还参加了校蓝球队和燕京大学话剧团。他热心于参加这些活动，以致于每当临近考试了，才感到学习时间太少，“否则考试成绩应该更好些”，然而考完试后，他又依然如故，因而用他自己的话来说，“学习成绩始终平平”。父母虽说对他的成绩不大满意，批评过他，但从未为此进行惩罚，毕竟不能单凭考试分数论好差。父母除了要孩子们接受良好的教育外，还要求他们做正直善良、有责任心的人。
　　1948年11月，由于山西来京的百十名中学生占住了吴家大院，使他一家人无法正常生活，全家不得以于1949初离开北京，南下投奔上海姨妈家。在沪期间，为了不中断学业，吴瑞曾在圣约翰大学借读。不久，又在母亲带领下，全家赴美与父亲团聚。7月抵美后，吴瑞去加州大学的伯克利暑期班学习德文，秋季开学后去阿拉巴马大学插班上四年级。经历了周折的吴瑞此时成熟起来，走科学道路已成为他坚定的信念。他努力读书，学习成绩名列前茅，1950年以优异成绩毕业，取得化学学士学位。随即他又进入宾夕法尼亚大学研究院的生物化学系，随导师威尔逊教授（D.W.Wilson）攻读博士学位，期间担任助教，学业、工作均努力且顺利。他对乳清酸的生物合成等问题进行研究，发表了3篇论文，1955年获得博士学位^［3，4］。
　　与父亲吴宪一样，吴瑞在科学事业的选择上很有自己的主意与远见，一但确立了目标，就全力以赴，为之不懈努力。癌症是20世纪对人类健康威胁很大的疾病，为了从机制上认识该病，他选择了做与癌症有关的酶的研究。这方面的研究不仅对于认识癌症的机制有用，而且对于日后发展出有关的临床检查方法有用。当时，在美国，从事这方面研究的学者并不多。经过大量文献查阅，他找到了在此领域有造诣的雷克尔博士（E.Racker），并申请到了Damon Runyon癌症研究基金的博士后资助，来到位于东海岸的纽约市公共卫生研究所，开始了博士后研究。在短短两年中，他学到了不少有关酶的技术，如：酶从细胞中的提取、纯化、鉴定，细胞中的酶含量测定、正常细胞与癌细胞中酶含量的比较，等等，发表了7篇论文。由于工作出色，博士后期满便成为该所的正式雇员，两年后升任副研究员（Associate），三年后成为襄研究员（Associate Member）。
　　吴瑞在科学上是个有远大志向的人，尽管正式工作以后，几年间他已在有关领域发表了近20篇论文，他仍对自己不大满意，觉得自己虽然对癌症有了一些认识上的增加，但进步有限，随着从事该领域研究者的增多，他应当开辟一个新的路子。于是他开始留意寻找更大的对科学发展更有影响的课题。
　　1965年，美国康乃尔大学的霍利博士（R.W.Holley，1922—1996年）建立了RNA核苷酸序列测定方法，并第一个测定了一个分子量最小的tRNA（酵母丙氨酸转移核糖核酸）的全核苷酸序列（为此他获得了1968年诺贝尔生理学或医学奖）。受到霍利成功的鼓舞，吴瑞把目标放在了当时人们认为无法入手的DNA序列测定上。这是个风险很大的领域，很有可能投入多年而无结果。但吴瑞深知这项研究的重要性，决心冒险一试。
　　为给日后的攻关做必要的准备，1965年夏，吴瑞利用休假年去对λ噬菌体研究著名的加州斯坦福大学生物化学系凯瑟教授（A. D. Kaiser）的实验室进修一年，学习λ噬菌体DNA的分离、制备和提纯方法。回到纽约后，他的老板转任康乃尔大学生物化学系主任，吴瑞也随之前往任教，在那儿工作至今，历任副教授、教授（终身），并一度担任生物化学、分子和细胞生物学系主任（1976—1978年）^［3］。
　　1967年春夏之交，吴瑞在康乃尔大学正式开始了其DNA测序的攻关研究。经过3年多的苦战，终于在1970年底成功地建立了第一种DNA测序方法，首次成功地分析了两条有12个核苷酸的λDNA粘性末端的全核苷酸序列。有关论文于1971年发表^［6］后，引起了有关学者的重视和关注。为此，英国著名生物化学家、蛋白质序列分析的首创者和RNA序列的改进者桑格博士（F. Sanger，1958年和1980年两度获得诺贝尔化学奖）请吴瑞前去他的实验室工作半年（1971年7月—1971年12月）。为了改进DNA测序的方法，吴瑞教授不失时机地在桑格实验室学习了一些RNA的测序技术，并在工作结束不久又利用另一半休假时间去麻省理工学院（MIT）生物系霍拉纳教授（H. G.Khorana，1968年获诺贝尔生理学或医学奖）处学习化学合成DNA寡核苷酸的方法。回到康乃尔后，他继续对DNA测序进行深入研究，取得重要成果^［5］。以后，他一直活跃于分子生物学和生物工程领域，在真核细胞的基因克隆、序列分析与表达、植物基因组分析等方面取得多项具有国际水平的成果^①，成为国际著名分子生物学家。
　　吴瑞教授在科学界的影响使他担任了许多重要职务。自1970年起，担任《分子生物学杂志》、《生物化学杂志》、《美国国家科学院学报》、《基因》、《核酸研究》、《生物化学和植物分子生物学》等具有国际影响的刊物的审稿人。此外，?Ｈ蚊拦??⑽郎?芯吭荷?锘?а芯坎刻卦计缆墼保?982年）、国家癌症研究所负责对资助申请者进行面试的Site Visitor（1979—1982年）、联合国国际发展署国际遗传工程和生物工程中心筹备处科学顾问组［该机构促成了1987年在意大利的特里斯蒂和印度的新德里分别建成国际遗传工程与生物技术中心（ICGEB）］发起成员和首任组长（1981—1984年）、国家癌症研究所癌生物学与诊断部科学顾问组成员（1984—1987年）、《基因》杂志编委（1987—1993年）、美国马里兰大学农业生物工程中心视察委员会成员（1988—1991年），以及美国赛图斯公司（Cetus Corporation）（1979—1985年）、加拿大康瑙特公司（Connaught Corporation）（1981—1984年）等数家生物工程公司的科学顾问。吴瑞教授还是美国生物化学会、美国科学促进会、美国化学会、美国阿尔法—CHI—西格玛学会、国际植物分子生物学会、组织培养协会、水稻遗传合作组织等学术团体的成员以及燕京研究院董事。此外，他对科学和人类福利的贡献还使他新近入选为美国的杰出华人组织——百人会的会员^［7］。
　　吴瑞教授身居海外，心系祖国。1980年首次回国后，他每年至少回国一次，致力于海峡两岸的中国生物科学事业的促进和发展。在大陆，他是国内十余所大学或研究机构的名誉（兼职）教授或研究员，还是国家自然科学基金委员会外籍顾问、前国家科委生物工程发展中心顾问（并曾当选顾问委员会主任），以及上海生物化学所、上海分子生物学实验室、上海复旦大学遗传工程重点实验室、河北省科委生物技术项目、四川省科学技术委员会等机构的顾问。在台湾，他是台湾中央研究院院士、名誉研究员，台湾中央研究院分子生物学研究所所长（1989—1990年），台湾科协转基因植物项目顾问委员会主席。此外，他还是韩国农村发展署名誉科学家^［7］。
　　吴瑞教授有一个温馨幸福的家庭，妻子陈智龙（Chan, Christina）生于美国（其父曾为民国时期中国驻外使馆的外交官），受过良好的大学教育，对丈夫的工作非常理解和支持。他们有二个孩子，儿子吴树本(Wu, Albert Shu-pen)是位事业有成的医学博士，目前担任约翰

霍布金斯大学医学院及公共卫生学院副教授；女儿吴树娴(Wu, Alice Shu-hsien)硕士毕业后曾任康乃尔大学教员。业余时间吴瑞常与家人和一个外孙、一个外孙女共享天伦之乐。

2　科学贡献

　　吴瑞教授是位对癌症研究、生物化学和DNA分子生物学、基因工程、植物生物工程等领域均有很深造诣并在其中一些领域做出杰出贡献的学者。迄今为止，他已发表了320余篇原始性研究论文，其中大部分发表于有国际影响的刊物。这些论文中，有100余篇与基因克隆或DNA测序有关，30余篇与癌症研究有关，25篇涉及与医疗保健有关的生物技术，70余篇与植物分子生物学有关，40余篇与转基因植物或植物生物工程有关。他还为其主编的11部书撰写了有关章节。由他主编的《DNA重组》第一至第九册［分别为由学院出版社出板的《酶学方法》（Methods in Enzymology)的第68、100、101、153、154、155、216、217、218卷］为当今国际分子生物学实验室必备的重要工具书。此外，他参与主编了《基因工程技术》和《1984年基因工程和生物工程研讨会论文集》，并与孔宪铎教授共同主编了2部《转基因植物》^［7］。在他取得的诸多重要成就中，有以下几项是具有重大国际影响的：

2.1　DNA生物化学和分子生物学领域

　　2.1.1　成功地建立了世界上第一个DNA核苷酸序列分析的方法　1965年，霍利成功地建立了RNA序列分析方法^［8］后，吴瑞意识到：根据遗传学和分子生物学的中心法则，遗传信息是贮存在DNA分子中的。有关信息首先转变成RNA分子，然后再转化成有特殊序列的蛋白质。既然现在已有了确定蛋白质和RNA序列的方法，那么人类对于这些大分子的知识就差DNA序列测定。解决这一问题对生命科学的发展将会产生重大影响。
　　经过一年周密而慎重的考虑，吴瑞决定将研究方向转到DNA序列测定上来。通过大量资料查阅，他了解到DNA工作上已有的进展和面临的困难。多年来，人们对DNA测序研究虽有许多尝试，但一直无人成功。这主要是因为有两大难以愈越的障碍：1.DNA分子量太大，比RNA和蛋白质的分子量要大许多倍；(2.)没有合适的、对DNA核苷酸顺序有专一性的DNA酶来裂解DNA分子，而专一性的酶解反应是RNA和蛋白质测序成功的关键所在。正因如此，当时著名的DNA专家、DNA碱基互补关系的发现者查伽夫（E.Chargaff,1905-）曾经断言：“DNA测序太难了，可能要到21世纪才能成功”^［9］。无疑，从事这项研究是带有很大冒险性的。然而，如果成功，回报也将很大。因此，吴瑞不畏困难，决心一试。
　　充分准备之后，1967年，吴瑞在康乃尔大学领导其小组向DNA测序发起了全面攻势。他针对DNA测序的主要困难制定了一个策略：首先寻找一个能在DNA上定位的引物/模板系统，这样，对于一条很长的DNA分子，可以选用具有放射性活力的核苷酸来对一小段自引物延长而新合成的DNA片断进行标记，然后再设法测定这一小段标记的核苷酸顺序。这样做的好处是，不必考虑DNA分子量大的问题，而且可以解决没有特异性水解酶的问题。这样，用化整为零的办法，对具有特殊生物学意义的DNA的一个个区域分别进行测序，就可以解决DNA的序列问题。
　　吴瑞以大肠杆菌λ噬菌体DNA的粘性末端作为天然存在的引物/模板系统，因为它的两个末端各有一个10—15个核苷酸组成的5’伸出端，可以作为DNA模板，以其凹进去的3’端为引物，在依赖于引物的大肠杆菌DNA聚合酶I的催化下，有可能使数量有限的标记的脱氧核糖核苷酸掺入到DNA引物模板上，即，使引物有控制地延长（部分修复合成），然后就可能对这一小段标记的区域进行测序：先分析延长的引物核苷酸组成和顺序，然后依照“碱基互补配对法则”，推出两端被标记的模板DNA的核苷酸顺序。吴瑞制定了如下判断成功与否的标准：如果成功，则应（1）两端标记的核苷酸数目相等；（2）两端标记的核苷酸序列中的碱基能完全配对互补^{［5，6，9］}。
　　在上述思想的指导下，吴瑞首先对λDNA粘性末端的核苷酸顺序进行了研究。在他开始攻关的年代，实验中所需的重要试剂和包括DNA聚合酶I、有放射活力的脱氧核苷酸、纯化的λDNA在内的实验材料均需自己制备、合成（80年代以后，这些试剂和材料均可买到），而DNA测序方面没有成功经验可以借鉴。吴瑞的小组（他自己动手作主要的研究工作，有两位助理和一位博士后部分协助）花费了大量时间和精力于有关的试剂和材料的制备与合成，摸索引物延伸的最佳条件、对产物进行核苷酸顺序分析的方法^［5,9］。
　　经过整整三年的艰苦努力，克服了无数困难，吴瑞小组终于在1970年中首次成功地对λDNA的两个粘性末端进行了全核苷酸顺序分析。结果正如他所料：两个粘性末端的核苷酸数目相等（均为12个），而且其碱基完全互补^［5,6］。“这是个激动人心的时刻”^［5］，因为，过去人们认为无从下手的DNA测序现在终于有了办法。
　　吴瑞的这一成果于1971年5月发表在有国际影响的《分子生物学杂志》上^［6］，这是世界上DNA测序的第一个成功报导。
　　为了证实DNA测序的“引物延伸”方法的有效性，吴瑞小组又对另一种有别于λ噬菌体、有较长粘性末端的大肠杆菌186噬菌体DNA的粘性末端进行了全核苷酸顺序测定，取得了成功（1972年）^［10］。随后，他着手使引物延伸的方法成为DNA测序的一种基本方法。其基本思路是：用一个专门设计的引物于修复合成，复制DNA模板的一个专门区域，然后测定新合成的、有放射活力的DNA标记区的脱氧核苷酸顺序。循着这一思路，他先用酶促合成的引物进行实验，以测定引物能有效地结合到模板上的最小长度（1972年）^［11］，进而采用化学合成的引物（他为此曾专门向霍拉纳学习过化学合成DNA寡核苷酸技术）对编码蛋白质的双链DNA（如λ噬菌体内溶菌素基因）的核苷酸顺序进行测定，获得成功（1973年）^{［5,9,11—13］}。
　　吴瑞创建用DNA聚合酶催化引物延伸的方法进行DNA核苷酸顺序测定（能定位的引物延伸法）成功后，引起了科学界的重视。桑格1973年采用了这一方法，并于后来发展出聚丙烯酰胺凝胶电泳系统对标记的DNA的分析技术进行了改进，于1975年建立了DNA测序的“加减法”（其中的“减法”主要是吴瑞的方法）；而后，又于1977年在此基础上进一步发展出速度更快、更便利的“双脱氧法”，使该法成为当今DNA分析的主要方法^［14,15］，由此获得1980年诺贝尔化学奖。不仅如此，引物延伸的方法被穆利斯(K.Mullis)采用后，于1985年建立了当今分子生物学中最有用的一项技术——聚合酶链式反应（PCR）技术（一种体外扩增特异DNA片段的技术），使用该技术可以在短时间内在试管中获得数百万个特异DNA序列的拷贝。该技术在1987—1992年间被许多研究者的努力而改进并完善，如今已在分子克隆、遗传病的基因诊断、法医学、考古学等方面得到广泛的应用^［16］，为此，穆利斯获得了1994年诺贝尔奖；被史密斯（M.Smith）采用后，建立了一种具有位点专一性的定点诱变法（1977年），该法包括使用引物作为非完全配对碱基以产生出一种位点专一性的突变体^［17］，从而使得基因编码的蛋白质在结构和功能上发生改变。该方法对于蛋白质工程具有重要意义，史密斯为此也获得了1994年的诺贝尔奖。因此，一些科学家称吴瑞教授为“诺贝尔级科学家”。
　　综上所述，吴瑞建立第一个DNA测序方法是具有开创性的工作，特别是他在该法中所制定的能定位的引物延伸的方法对于分子生物学的发展具有重要意义。通过使用该法，许多科学家已确定了众多基因的DNA序列。迄今为止，已有10多亿的核苷酸顺序被确定。核苷酸顺序中所含有的信息已被科学家们用于包括医学、农业和工业的有关领域在内的整个生物科学及生物工程领域。吴瑞在DNA测序方面的成就使他成为该领域的一位重要学科带头人。自1972年应法国巴斯德研究所邀请写下了DNA序列分析的第一篇综述文章^［18］起，迄今他已先后应邀为有国际影响的学术刊物撰写过10多篇DNA测序的综述文章^［4］。
　　2.1.2　首次表明，化学合成的DNA寡核苷酸双螺旋在转入大肠杆菌后呈现出生物活性　吴瑞及其同事们于1975—1977年间对大肠杆菌的乳糖操纵子就有关基因的化学、酶促合成、序列研究、其全合成产物和生物学特性、克隆的基因与化学合成的双链的生物学活性、乳糖操纵基因的最小识别顺序等问题进行了深入、系统的研究，先后发表了10余篇论文^［4］。其中最重要的是，他们于1976年首次表明，化学合成的DNA寡核苷酸双螺旋，如，乳糖操纵基因，在转入大肠杆菌后呈现出生物活性^［19］。由此，其他研究者采用了类似的方法来合成调节元素、调节基因或整个基因，使之在转入大肠杆菌后产生诸如人类胰岛素这样的有重要医疗价值的产物，而吴瑞本人也曾作为有关生物技术公司的科学顾问，帮助制定用遗传工程的方法制造人胰岛素原和胰岛素^［3］。
　　2.1.3　首先提出，在基因克隆过程中利用合成的寡核苷酸作为衔接子和接头可以提高平末端DNA连接到载体上的效率　在DNA重组中，常需将外源DNA片段插入某些载体中。DNA片段之间的体外连接是DNA重组技术中的核心步骤。在连接方法中有一种常见的方法叫平末端连接，该法虽然适用范围很广，但还存在着一些缺陷，连接效率低是其中之一。当时，在做基因重组时，把平末端的cDNA克隆到质粒里相当难，特别是做cDNA文库时效率很低，得到的克隆很少。针对这个问题，吴瑞和他的同事们进行了专门研究，找到了解决问题的方法,并于1976年首先介绍了使用合成的寡核苷酸衔接子(adaptor)和接头(linker)以提高平末端DNA的克隆效率的方法。使用该方法可使平末端的双链DNA在做cDNA文库时，效率提高几十倍乃至几百倍。衔接子和接头现已被广泛用于合成基因的构建或表达，如，那些编码人类生长激素和组织血纤维蛋白溶酶原激活剂（tPA）基因的构建及表达^{［20—22］}。
　　吴瑞等人在此方面的进一步研究成果有3项获得了美国专利：（1）用作DNA克隆衔接头的寡核苷酸，接合的DNA分子，以及衔接子和接合分子的制备方法（美国专利号4321365，1982年3月23日批准）；（2）DNA的衔接子分子及其对合成基因衍生物的应用（美国专利号4617384，1986年10月14日批准）；（3）衔接子和人类胰岛素原基因的合成与克隆（美国专利号4792602，1988年12月20日批准）^［7］。
　　如今，全世界用基因工程技术生产的人类生长激素和tPA的年产量已达6亿美元，无数患者从这些药物中受益。目前，至少有10多种以上使用衔接子于基因组装而制成的药物正处于临床试验阶段，并有更多的有价值的基因组装正在不断建立，吴瑞教授对之做出了有价值的贡献。
　　除了上述杰出成果外，吴瑞领导的小组在分子生物学领域还创下了以下的第一：1979年，发表了第一个人类肿瘤病毒（BK病毒，有5000个碱基对）的全核苷酸序列^［23］；1980年，报告了真核细胞中的不等交换的第一个分子水平的实验论证^［24］。

(责任编辑：泉水)

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