知乎日報：一個分子和兩個天才（一） 連體老鼠實驗

　　1969 年夏天，美國緬因州巴爾港，傑克遜實驗室。一個穿着白大褂的中年人正在忙活着手裏兩隻胖乎乎的小黑老鼠。

　　東邊那個脾氣捉摸不定的紅色帝國時不時還會散播一些威脅和恐懼，但至少在普通美國人的心中，7 年前古巴導彈危機的陰影已經漸漸淡去。幾周前尼爾.阿姆斯特朗在月球表面那句註定名垂千古的“這是個人的一小步，卻是人類的一大步”(a small step for a man, a giant leap for mankind)儘管從老式的落地收音機裏聽來斷斷續續，卻還是讓萬千美國人熱淚盈眶。這是一個充滿奇蹟的時代，科學技術的力量似乎從來未曾如此無堅不摧。在同時代的偉大科幻小説家艾薩克.阿西莫夫的筆下，未來人類將沿着機器文明的軌跡在全宇宙開枝散葉，永世不朽。

　　1969 年 7 月 20 日，人類第一次踏上外星球的土地。圖中所示的是美國宇航員尼爾.阿姆斯特朗(Neil Armstrong)走下阿波羅 11 號月球艙的舷梯時的情景。鏡頭遠方，是我們蔚藍色的母親星球。(圖片來自http://voices.nationalgeographic.com)

　　如果稍微聚焦下我們的視角，實驗室窗外風景如畫。巴爾港雖然只有幾千常住居民，卻是聞名世界的度假勝地。每到夏季，遊輪載着來自歐洲的遊客前來，沙灘上滿是騎着公路自行車，準備去釣龍蝦、看海豹的旅行者。

　　兩隻小老鼠?聽起來怎麼也不會是宏大敍事或是悠長假期的主角啊。

　　這個中年人名叫道格.科曼(Douglas L Coleman)，加拿大電氣修理工的孩子。1958 年科曼從美國的威斯康星大學拿到生物化學方向的博士學位，之後他在傑克遜實驗室找到一份臨時工作。本計劃呆上兩三年就返回加拿大謀職的科曼，不久以後就愛上了巴爾港清爽的海風和無垠的海景，於是他留下了， 在這裏呆到退休和去世。

　　傑克遜實驗室以龐大的小鼠遺傳資源聞名於世，這個實驗室從 1929 年建立起就致力於發展標準化的小鼠遺傳學模型和資源，並靠向全世界科學家銷售他們自己培育的各種奇奇怪怪的小鼠獲得收入。在科曼入職工作前後，傑克遜實驗室的科學家們偶然間發現了兩種體型異常肥碩的黑色的小老鼠，並給他們起名字叫 ob(肥胖，obesity)和 db(糖尿病，diabetes)。兩種小鼠的體重可以長到普通老鼠的三倍大，有着及其肥大的脂肪儲備，並且像人類肥胖症患者一樣有各種各樣的健康問題：早夭、高血糖、糖尿病(僅 db 老鼠)等等。傑克遜實驗室的科學家們已經通過非常麻煩而且耗時的遺傳學手段確定了兩種脂肪異常增多的小鼠是由分別位於第 6 號和第 4 號染色體的兩個基因被突變導致的。之後呢，這兩種小鼠就被細心地培育並出售，但似乎沒有多少科學同行對它們產生過興趣。

　　ob 老鼠(左)和正常老鼠(右)的體型對比(圖片來自英文維基百科)

　　現在的讀者們可能會馬上提問，為什麼沒有人用它們來研究肥胖呢?它們看起來是研究人類如何發胖、又應該如何控制體重的絕佳材料啊?然而在五十年前，人們的主流理解是，肥胖是一種和大腦功能有關的、涉及到食慾控制的疾病。這個也和人們日常觀察中胖子總是比較有好胃口、而好胃口很有可能會讓人長胖相一致。而與此對應的，有不少嚴謹的科學實驗證明大腦裏某些特定區域(例如下丘腦，記住這個名字)專門負責控制吃東西的多少。與此同時，就像許多讀者們腦海裏的想象一樣，科學家們簡單地認為脂肪組織無非是身體用來儲存和堆積過剩的能量的地方。研究小老鼠們脂肪為什麼變多?聽起來就是個很無聊的問題吧!

　　很明顯，我們的科曼先生沒有這麼想，否則他就不用滿頭大汗的折騰這兩隻胖老鼠了。他正在做一個叫做“連體老鼠”(parabiosis)的實驗，簡單來説，就是通過外科手術，把兩隻小老鼠從肩膀到盆腔之間的皮膚連在一起，將兩者的血液循環聯通，人為製造出類似於人類連體嬰兒的現象來。做完手術的老鼠看起來像是這樣：

　　兩隻毛色不同的老鼠通過“連體實驗”操作被連在一起，它們的循環系統也因此聯通(圖片來自 Duyverman et al Nature Protocols 2012)

　　連體老鼠的手術不容易做，即便做成功，也需要幾周的時間耐心照顧和餵養，在傷口癒合後才能進行真正的實驗觀察。科曼也是花了相當一段時間，才從傑克遜實驗室的同事那裏學來了這門手藝。要知道，對一個習慣了擺弄瓶瓶罐罐的生物化學家來説，這門手藝可真的不容易學會。

　　科曼要做的，是把一隻肥胖的 db 小老鼠，和一隻體型正常的普通小老鼠，做成連體，就像這樣：

　　科曼先生的第一個實驗：把 db/db 胖老鼠和正常的瘦老鼠通過連體實驗連接在了一起。他當時的猜測是，如果 db/db 老鼠肥胖是因為血液裏缺了什麼肥胖抑制因子，那麼連通後 db/db 老鼠就能夠減肥了，因為它可以從正常老鼠血液中獲取這種因子(圖片來自 Coleman 2010 Nature Medicine)

　　儘管不一定是動物福利主義者，我們的科曼先生顯然也沒有無聊折騰小動物的閒情逸致。他的連體動物實驗是為了回答一個縈繞在他腦海裏的問題：ob 和 db 小老鼠之所以肥胖，是不是因為他們的血液裏缺了某種抑制肥胖的物質?這種物質可能能夠抑制食慾，所以缺乏了它的小鼠就會拼命進食把自己吃成胖子;這種物質也可能能夠加速能量消耗，所以缺乏了它的小鼠就會整日懶洋洋躺着養膘，不過無論如何，如果這個物質真的存在，那麼如果把一隻正常小鼠的血液通到肥胖小鼠體內，是不是也許就可以為 ob 或者 db 小鼠減肥了?

　　手術看起來成功了，科曼站起身來長舒了一口氣，摘下手套擦擦額頭的汗水。就看術後恢復和接下來小老鼠們的表現了。

　　然而接下來的幾個月我們的科曼先生一直很苦惱：手術看起來每次都做得乾淨漂亮，術後恢復情況也不錯，db 小鼠看起來還是在到處沒完沒了的找吃的養膘，可是相連的普通小老鼠卻看起來始終沒有恢復健康，一直病怏怏的，食慾也不好。儘管科曼悉心照料，普通小老鼠還是接二連三的在術後一兩個月的時間死去，死的時候骨瘦如柴，慘不忍睹。

　　為什麼?這到底是為什麼?抓破了腦袋的科曼在排除了自己手術過程的一切出錯可能以後有點茫然了。

　　直到這年冬天的某一天，天才的靈光開始光顧我們的科曼先生了。

　　老實説，從科曼先生的科學文章，以及他的公開演講來看，科曼談不上是一個天才——至少不是一般人認為的那種科學怪才或者電腦奇才的形象。在六七十年代的天才發現之後，科曼似乎再也沒有做出過什麼別的驚天動地的科學發現，只是在傑克遜實驗室老老實實繼續着自己的科學職業。然而根據我的經驗，大眾心目中的天才形象往往並不真實，大多數無非來自媒體和公眾自身對天才的無端想象而已。所謂天才，在科學史、乃至人類歷史上往往僅僅是在某個時間、某個地點，產生過天外飛仙般的奇思妙想的普通人而已。

　　茨威格在他的名著《人類的羣星閃耀時》裏面這樣寫道：“一個真正具有世界歷史意義的時刻，也就是一個人類的羣星閃耀的時刻出現之前，必然會有漫長的歲月無謂的流逝而去...這時刻在人的一生和歷史的進程中都十分難得……但他們的決定性影響超越時間”。

　　大哉斯言。

　　茨威格名著《人類的羣星閃耀時》。一本非常特別的傳記，講述在人類歷史的關鍵轉折點，個人意志與歷史潮流碰撞交匯，光芒照耀人類文明的天空。

　　現在，對於生物學，對於人類對自身奧秘的孜孜探求，正是這樣一個時刻。

　　看起來之前的假設錯了，db 小鼠不是缺了什麼抑制食慾控制肥胖的東西，否則和正常小鼠相連會讓它減肥，而不是相反。

　　那麼會不會……其實是 db 小老鼠體內產生的什麼東西，讓與之相連的正常小老鼠拒絕進食，乃至餓死?

　　那麼接下來……既然 db 小老鼠能夠產生這種抑制食慾的東西，那為什麼 db 小老鼠自身卻如此肥胖?要知道，我本來的設想是 db 小鼠不能產生這種抑制食慾的東西啊?

　　那麼會不會……會不會是 db 小老鼠缺乏感受到這種抑制食慾的東西的能力?

　　甚至更進一步，會不會和我之前的想法恰恰相反，因為自身感受能力的缺乏，使得這種抑制食慾的東西在 db 小鼠體內含量特別特別高(比如某種未知的補償因素)?這樣就可以解釋，當 db 小鼠與正常小鼠血脈相連之後，非常多的這種食慾抑制物質進入正常小老鼠體內，導致了嚴重的厭食?

　　思維體操結束。科曼提出了一個看起來很不錯的假設：動物的血液裏存在一種能夠有效抑制食慾的物質，而 db 小鼠缺乏感受這種物質的能力，從而導致暴飲暴食和嚴重的肥胖。同時，科曼還猜測，也許下丘腦具備感受這種物質的能力，這也可以解釋為什麼切除下丘腦的部分腦區會帶來類似的、暴飲暴食的症狀。

　　自然的奧秘在這一刻輕輕揭開面紗，對科曼先生開始微笑了。

　　好了，科曼先生現在有了一個很有趣的假説：db 胖老鼠可能缺乏對一種食慾抑制因子的感受能力，從而導致自己毫無節制的暴飲暴食，把小小肚子吃得像個圓滾滾的枕頭。

　　這樣的故事聽起來好像有點無趣：一種名字叫 db 的胖老鼠為什麼胖，好像和我們人類沒什麼關係啊?親愛的讀者們，這時候只需要你們稍微調轉一下思維的方向就對了：科曼的假説，其實意味着，正常的老鼠體內應該存在一種物質，這種物質能夠抑制食慾，從而將從食物中攝取的能量(進而將動物的體型)控制在合理的範圍內。鑑於小小老鼠和人類在諸多方面的相似性，這個假説“稍微”推廣到人類中的可能性是很大的。

　　因此，科曼的連體老鼠實驗一開始，就指向了一個每個讀者可能都會關心的問題：我們人體內是否存在這種抑制食慾、控制體型的物質?它是什麼?它能夠幫助我們更好的維持身體的美好形態，和我們的身體健康麼?

　　帶着可能發現新世界的激動心情，我們的科曼先生又在繼續他的連體老鼠實驗。

　　科曼先生的第二個實驗：把 ob/ob 胖老鼠和正常的瘦老鼠通過連體實驗連接在了一起。(圖片來自 Coleman 2010 Nature Medicine)

　　自然而然的，折磨完了 db 胖老鼠之後，科曼立刻開始用肥胖程度不遑多讓的 ob 胖老鼠做連體實驗。科曼開始的想法是，既然 ob 和 db 兩種胖老鼠看起來如此相像，ob 老鼠和正常老鼠的連體實驗可能也會得到類似於 db- 正常老鼠連體的結果吧?

　　實驗的結果又一次讓科曼先生的眼鏡碎了一地(沒錯，年輕時候的科曼先生也戴眼鏡，有圖為證)

　　年輕時的道格.科曼。圖片來自紐約時報。

　　把 ob 胖老鼠和正常老鼠連體之後，ob 胖老鼠慢慢的開始減肥瘦身了!它的食慾逐漸下降，甚至降低到正常老鼠的水平;像高血糖、高脂肪等等惱人的問題也似乎在慢慢消失。與此同時，正常老鼠的生活也沒有受到任何影響。

　　反了，完全反了：

　　db 和 ob 老鼠都很胖，胖的程度都相差無幾

　　在 db- 正常老鼠的連體實驗中，正常老鼠食慾下降乃至餓死，db 老鼠肥胖依舊;

　　在 ob- 正常老鼠的連體實驗中，正常老鼠卻一切正常，反而是 ob 老鼠開始發奮減肥，向正常體態靠攏。

　　還在找眼鏡或者抓腦袋的科曼先生也許沒有意識到，命運之神在對他微笑了。如果説 db- 正常老鼠的連體實驗，以及科曼先生的第一個假説，是天才的靈光一現。那麼 ob- 正常老鼠連體給出的相反結果，則是上天賜給科曼先生的一個完美解答肥胖奧秘的絕佳機會。

　　讓我們附體半個多世紀前的這位科學家，一起做做探索人類自身奧秘的思維體操吧。

　　重温一下 db- 正常老鼠連體實驗的發現：在 db- 正常老鼠的連體實驗中，正常老鼠食慾下降乃至餓死，db 老鼠肥胖依舊。這個發現暗示，正常老鼠體內可能存在一種抑制食慾、保持身材的物質，而 db 老鼠缺乏感知這種物質的能力(從而導致這種物質在 db 老鼠體內報復性的含量急劇升高)，於是自暴自棄暴飲暴食乃至大腹便便。而將兩者血液連通之後，大量的食慾抑制物質通過血液循環從從 db 老鼠進入正常老鼠體內，導致正常老鼠食慾全無。

　　按照這個思維方式，如何解釋在 ob- 正常老鼠的連體實驗中，正常老鼠一切正常，反而是 ob 老鼠開始發奮減肥，向正常體態靠攏?是不是説明，正常老鼠體內具備的這種食慾抑制因子通過血液循環進入到 ob 老鼠體內，從而讓 ob 老鼠開始減肥?

　　繼續。這種能夠通過血液流通的、抑制食慾的物質如果當真存在，而且能讓 ob 胖老鼠減肥，是不是説明，ob 胖老鼠本身缺乏這種物質?

　　等一等，等一等。

　　讓我們回頭看看我們思維體操的結果：動物體內天然存在一種抑制食慾、保持體形的物質，ob 老鼠缺乏這種物質，而 db 老鼠缺乏感知這種物質的能力，於是兩者不約而同的發胖。

　　看起來好像不錯。可是我們的運氣有那麼好麼?科學家們在過去十多年的時間裏偶然發現的兩隻胖老鼠，居然恰好像鎖和鑰匙一樣共同配合決定了動物的食慾和體型?

　　在抓狂和向命運祈禱之前，讓我們再一次學着像科學家，或者説半個多世紀前的科曼先生一樣，思考，提問，動手驗證。

　　如果我們的運氣真的有這麼好。那麼我們可以提出一個假説：如果把 ob 和 bd 老鼠連體，我們應該看到的是：

　　ob 老鼠會瘦下去，而且會瘦的非常厲害。因為它會從 db 老鼠那裏得到源源不斷的、它自身缺乏的那種抑制食慾的物質。

　　而 db 老鼠，則會毫無反應的繼續胖下去，甚至會越來越胖，因為它不能從 ob 老鼠那裏得到對這種食慾抑制因子的感受能力。

　　恭喜你，如果你成功的跟着科曼先生的思維走到這裏而不迷惑，你就具備了利用科學方法解釋關於我們自身的奧秘的能力。因為在接下來的實驗中，科曼先生的實驗完美驗證了上面我們的假説。

　　在完成了上面一系列美妙的實驗之後，科曼重新從天才走回平凡。在未來的十幾年時間裏，道格.科曼徒勞的利用各種生物化學的方法(別忘了，這才是他的老本行)試圖發現這種假想中的食慾抑制因子是什麼，但是從未獲得成功。與此同時，在 DNA 雙螺旋結構帶來的生物學黃金時代裏，寫滿了諸如半保留複製， tRNA，中心法則，密碼子這樣閃閃發光的發現，科曼的發現和科曼的假説從未得到過足夠的重視和理解。

　　1993 年，62 歲的科曼先生從傑克遜實驗室退休，直到這時我們都還不知道科曼先生所猜測的食慾抑制因子是否真的存在，以及它到底是什麼;儘管科學界已經有聲音開始接受和支持科曼先生的假説，但是直到此時科曼的發現還沒有得到過任何值得一提的科學獎勵。

　　但是千萬不要想當然地覺得我們的科曼先生是個孤獨的、憤懣的鬥士，像布魯諾、黎曼、康託那樣的寂寞天才。相反，科曼先生是個無比熱愛生活和家庭的完美好男人。在過去幾十年的工作裏，他每天 7 點上班，5 點半準時到家和家人一起晚餐。他和摯愛一生的夫人 Beverly 一起養育四個子女，並且每年都會帶着全家去看看世界上美好的風景。62 歲的他之所以準時退休關閉實驗室，也並不是被科學界逼的無處容身，而是主動選擇了更多陪伴愛人、飽覽美景的機會。

　　就像我説的，天才的靈光一閃，在二十世紀六十和七十年代讓道格拉斯·科曼利用優雅簡潔的實驗，把我們引向關於我們身體的驚人奧秘。科曼興致勃勃的擺弄和觀察兩隻連體小老鼠的時刻，毫無疑問是茨威格所説的“人類的羣星”閃耀的時刻。在那之後，我們的科曼先生，重新變為凡人，一個可親可敬、對生活充滿熱愛的普通人。

　　應該説，命運還是很厚待科曼先生的，不僅僅因為他的天才發現，和他的幸福家庭。在 1995 年，科曼退休僅僅兩年之後，美國洛克菲勒大學的傑弗瑞.弗裏德曼(Jeffery Friedman)和他的同事們利用現代遺傳學手段，在艱苦漫長的八年探索後找到了科曼先生預言的這個存在在血液循環系統裏的、能夠抑制食慾和控制體型的蛋白質因子，並命名為“瘦素”(leptin，源於希臘語“瘦”)。正如科曼先生的假説，ob 老鼠在瘦素基因中存在遺傳突變，從而失去了產生瘦素、從而控制自身食慾和體重的能力。瘦素蛋白也正如科曼先生的連體實驗所揭示的，是可以在血液中流動，通過循環系統深入身體各個組織的。

　　隨後的短短几年內，科曼所預測的、db 老鼠中缺乏感知食慾抑制因子的能力的假説也得到了完美的證實和解釋。千禧年製藥(Millennium Pharmaceuticals)的科學家利用表達性克隆的技術找到了瘦素的受體分子，也就是感知瘦素的蛋白質分子;而弗裏德曼實驗室隨後很快令人信服的證明，db 老鼠中的瘦素受體基因被突變從而喪失功能。而就像科曼曾經猜測過的那樣，瘦素受體蛋白高度集中在動物的下丘腦區域。

　　道格·科曼(左)和傑弗瑞·弗裏德曼(右)合影(小黑老鼠正在咬科曼先生的手臂!)圖片來自 http://www.jax.org

　　科曼先生於 2014 年 4 月因惡性皮膚癌去世，享年 82 歲。在瘦素分子被發現後，科曼譽享全球，已成為活着的傳奇。有人遺憾科曼如果能再長壽幾年，將幾乎肯定會拿到諾貝爾獎。

　　不過我想科曼先生一定不在乎。倒不是猜測科曼先生淡泊名利，而是我知道，在阿波羅登月後的那個冬天，當科曼先生把兩隻胖老鼠用手術連在一起，並猜測一個食慾抑制分子的存在的時候，他已經得到了人世間最高的獎賞。就像一個在沙灘拾貝、無意間看到無垠大海的小男孩，那一瞬間的驚喜和快樂，非塵世任何獎賞可及。