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商周:实验室小鼠的祖先在中国?

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- 编者按 -
 
2020年1月,《知识分子》编辑部为读者朋友们准备了一批文章,其中包括老鼠与猫的故事,实验鼠为人类作出的贡献,黑猩猩学习的秘密等,计划在农历鼠年春节期间刊发。新冠疫情暴发,武汉与湖北形势告急,整个编辑部投入到了疫情的报道中,这批文章也被搁置。
 
幸运的是,目前国内疫情已经得到了很好的控制,新冠疫苗的有序接种,让我们看到了摆脱新冠的希望。鼠年就要结束了,这些备稿也是时候与读者朋友见面了。今天发表的文章,是关于实验室小鼠的故事,希望大家喜欢。
 
在中国传统文化里,并没有多少好的词汇来形容 “鼠”,但在生命科学领域,鼠是值得尊重的生灵。因为 “小鼠” 是最常用的模式动物, 没有它们的贡献,恐怕没有那么多的科学发现,也没有那么多可以用于临床的新药、新疗法。万物有灵,在(这个特别的)鼠年来临结束之际,我们沿着历史的轨迹回溯,看看第一个用小鼠来做生物医学实验的人是谁?现代实验小鼠的祖先是谁?
 
撰文 | 商 周
 
责编 | 董赋好
 
十六年前,我还是一个博士研究生,在一个不知名的免疫学实验室做着遗传学的工作。因为偶尔在小鼠的线粒体基因组上发现了一个突变,于是对这个基因组发生了兴趣。
 
我们通常说的基因组在细胞核内,由30亿对左右碱基对组成;而线粒体基因组则是在细胞质内的线粒体里,只有1.6万对碱基左右的大小。但别小看了这小小的线粒体基因组,它不仅编码了一些为我们提供能量的关键基因,还可以用来作为分子钟去显示生命进化的历史。而且,因为我们的线粒体基因组都是从母亲那里遗传来的,所以它还能被用来追溯母系的来源。
 
那时候我天真地想,如果把实验室里常见的小鼠线粒体基因组都测一遍,没准能写出一篇高分论文。我不仅是那样想,而且也付诸了行动。那个时候测序远不如现在容易,所以颇花了一些功夫。
 
但结果表明,我的想法带有一种 “井底之蛙” 式的天真,所以高分的文章当然没有发成。作为一个间接的后果,倒是让我写下了这篇散文。
 
现代实验小鼠之父
 
那次实验我一共检测了三十多个小鼠品系的线粒体基因组序列。这不是说我养了那么多品系的小鼠,因为用来测序的材料是直接买来的DNA,而能够提供这么多不同品系小鼠DNA的,在这个世界上只有一个地方:美国的Jackson实验室。
 
大凡做小鼠实验的的人都会知道Jackson实验室,因为这是世界实验小鼠的圣地。在这个实验室里,走出了George D. Snell——1980年的诺贝尔生理学或医学奖获得者。
 
在上世纪三四十年代,Snell在Jackson实验室潜心于小鼠器官移植排异反应的研究。利用当时有限的遗传学研究方法,他发现移植排斥反应主要是由一个基因位点所控制的,当两个品系的小鼠在这个位点上有着相同的等位基因的时候,它们就能接受彼此的器官;否则,它们将相互排斥。1948年,Snell把这个位点命名为MHC(组织相容性复合物) [1],这个发现让他和另外两位科学家分享了1980年的诺贝尔奖。
 
Snell之所以能在Jackson实验室工作,很大程度上得益于当时Jackson实验室的领导人Clarence C. Little博士。Little不仅是当时实验室的领导人,也是这个实验室的创始人。虽然Little本人没有获得过诺贝尔奖,但他在科学史上的地位要高于Snell。原因很明显,一是他创建了Jackson实验室,二是他培育了第一个近交系小鼠品系。[2]
 
对于行外人来说可能有些难理解创建Jackson实验室和培育第一个近交系小鼠品系的意义。让我用一个比喻来形容他们两人在科学史上的地位吧:Snell凭借诺贝奖这张入场券进入了科学的名人堂,进去后他看到没有诺贝尔奖但已经坐在那里很久了的Little。
Little之所以邀请Snell加盟Jackson实验室,其中一个重要的原因是他们相互了解。年长15岁的Little是Snell的大师兄,他们都是哈佛大学William E. Castle教授的学生。和他们同在Castle教授门下的还有著名的遗传学家,提出 “遗传漂变” 学说的Sewall G. Wright。[3]
 
作为Little、Snell和Wright的导师,Castle是实验小鼠领域的开山鼻祖。
 
其实,在采用小鼠做实验动物之前,Castle是做果蝇研究的。而且他也是第一个利用果蝇来做实验的科学家,大名鼎鼎的遗传学家托马斯·亨特·摩尔根(Thomas Hunt Morgan)就是从Castle这里得到了启发而去利用果蝇进行研究,并发现了遗传学第三定律 [4]。在1900年转到用哺乳动物作为研究对象后,Castle也做过多种动物,包括豚猪、大鼠和小鼠。但不管怎样,利用实验小鼠,Castle开创了一个学派。
 
需要提一下的是,Castle远不是第一个用小鼠来做生物医学实验的人。早在十六世纪,英国医生 William Harvey 就用小鼠做实验去研究过生殖和血液循环;在十七世纪,英国科学家Robert Hooke也研究过气压对小鼠的各项生物学指标的影响;到了十八世纪,化学家Joseph Priestley和 Antoine Lavoisier 用小鼠作为动物模型研究过呼吸;等到十九世纪,德国微生物学家Robert Koch利用小鼠证明了炭疽病是由微生物引起的 [6]。
 
虽然以上科学家都用小鼠做过生物医学研究,但他们所使用的小鼠和现在的实验室小鼠没有什么关系。真正和现代实验室小鼠有关系的是Castle使用和培育的实验室小鼠,因为它们至今依然在广泛使用。
 
因此, Castle可以被称 “现代实验小鼠之父”。
 
现代实验小鼠之母
 
虽然是哈佛大学的教授,Castle之所以能成为 “现代实验小鼠之父”,并不仅仅是因为他个人的努力和智慧。在这一点上,他要感谢一个名叫Abbie Lathrop的女人。
 
Lathrop不是Castle的妻子,也不是科学家,而是一名普通女性。1868年出生在美国伊利诺斯的Lathrop没有上过小学和中学,而是一直在家里接受教育。到16岁的时候,为了得到一个教师资格,她去一家学院学习了两年,这让她成为了一位有执照的小学教师 [6]。
 
作为教师的Lathrop并不成功,甚至可以算得上是失败。这倒不是因为她的天资不行,也不是因为她不够努力,而是因为她的身体状况太差。长期患病让她不得不提前从学校退休,在32岁那年辞职搬家去了马萨诸塞 [5]。
 
没错,马萨诸塞就是哈佛大学所在地,但Lathrop并不是去大学工作,而是在那里的农村成为了一个农场主。Lathrop先是在她的农场养家禽,但那些鸡鸭并没有给她带来成功。再次失败的她不得不又一次做出改变,她尝试着在农场里养起了宠物,主要是小鼠和大鼠。
 
得益于美国经济的快速发展,让宠物有了不错的市场,这一次Lathrop成功了。最多的时候,Lathrop的农场饲养有一万多只小动物。也是这个时候,她认识了当时在哈佛大学当教授的Castle,这个特殊的客户改变了她的后半生。
Castle这个大学教授结识Lathrop这个农场主并不是偶然,甚至可以说是一种必然。他们的相遇要感谢一位在生命科学史上一位殿堂级的人物:遗传学的开山鼻祖格雷戈尔·孟德尔(Gregor Johann Mendel)。没错,就是那个在修道院里种豌豆的孟德尔,提出了教科书里的遗传学第一和第二定律的孟德尔。
 
早在1884年就去世了的孟德尔之所以促成了Castle和Lathrop在1901年相识,是因为他生前提出的遗传学定律太超前,直到1900年才被科学界重新发现和认可。之后,科学界出现了研究孟德尔遗传学的热潮,Castle就是其中的一位 “潮人”。Castle想利用小鼠来进行遗传学的研究,于是他找到了附近的宠物农场主Abbie Lathrop [6]。
 
如果Lathrop只是把Castle这样的科学家当成普通客户,一手拿钱一手交货了事,那么她的生活依然会波澜不惊,也不可能把自己的名字留在科学史上。
 
可能部分是因为自己的健康问题吧, Lathrop对科学研究有了兴趣,她开始和一些科学家客户合作。而且,这种合作并不是简单地提供实验材料,而是她自己亲自参与实验,尤其是一些关于疾病的实验。因为这种努力,Lathrop成为了十篇科学研究论文的作者,其中包括三篇发表在著名的 J. Exp. Med.杂志(《实验医学杂志》)上的第一作者论文 [7-9]。要不是五十岁时因为恶性贫血早逝, Lathrop应该还会有更多的研究成果。
 
Lathrop死后,她被科学界称为 “Mouse Woman of Granby”,中文可以意译为 “实验小鼠之母”。
 
说她是 “实验小鼠之母” 是有科学证据的。说到这里又回到文章开始的地方,为什么我 “疯狂” 的测序没有得到一篇高分的文章。部分是因为测序的结果表明:绝大多数常见的小鼠品系的线粒体基因组几乎相同。得到这样有些让人失望的结果其实主要是我自作自受,因为之前已经有研究用另外的方法发现了这一点[10],而我却还偏偏要去测序。
 
当然,这都是闲话,现在回到科学层面:为什么绝大多数小鼠品系的线粒体基因组几乎相同呢?答案不复杂,这些不同品系的小鼠有一个共同的雌性小鼠祖先,这个祖先就是一百多年前的Lathrop农场里的一只雌性小鼠。
 
这听起来有些匪夷所思,但的确是事实。这么说吧,几乎所有的1960年前培育的小鼠品系,无论是近交系(比如常见的 C57BL/6黑鼠, Balb/c白鼠,DBA/1 褐鼠),还是远交系(比如外国常用的CD1, 还是国内常用的昆明鼠)都是Lathrop农场里的那只雌性小鼠的后代 [11-14]。
 
所以,虽然不是职业的科学家,Lathrop确是当之无愧的现代 “实验小鼠之母”。
 
实验小鼠的前世:往前,再往前
 
Lathrop农场的小鼠是现在实验室小鼠的祖先,那Lathrop农场的小鼠的祖先又是谁呢?
 
为了回答这一问题,先要说清楚一点:实验室小鼠和我们日常生活中遇到的家里的老鼠(家鼠)是一个品种,也就是说实验室小鼠是用家鼠培养出来的,所以探讨实验室小鼠祖先的问题就是要搞清楚它们是从哪里的家鼠培养而成的问题。
 
家鼠在世界上主要有三大亚种,分别是西欧-南欧-非洲亚种、北欧-东欧-东亚亚种、东南亚亚种。大约在50万年前,这三个亚种在帕米尔高原一带分开,然后慢慢扩散到了各自的区域 [15]。
 
看到这里您可能会觉得奇怪,为什么没有美洲和大洋洲的家鼠亚种?这个问题的答案是,本来美洲和大洋洲是没有家鼠的,是欧洲的殖民者把家鼠带到了美洲和大洋洲,所以现在美洲和大洋洲的家鼠都是西欧-南欧-非洲亚种。
 
那么,实验小鼠的祖先是哪一个亚种呢?
 
如果拿这个问题去问 “实验小鼠之母” Lathrop,她可能会告诉你她最初的那几只花式小鼠是从哪里来的,然后就不能提供更多的信息了。
 
在Lathrop能提供的有限信息里,其中有一个非常关键的词:“花式小鼠(fancy mouse)”。这个词能帮助我们找到实验小鼠的祖先信息,因为花式小鼠的历史是可以追溯的。
 
美国的花式小鼠的来源是欧洲,在19世纪从欧洲传到美国;而欧洲的花式小鼠则是在18世纪初从日本传过去的 [16]。那么日本的花式小鼠又来源于哪里呢?
 
中国。
 
早在17世纪中叶,也就是中国的明清交际之际,就有花式小鼠由东渡的僧人和来访的日本人从中国带到了日本的文献记录 [16]。而中国培养花式小鼠的历史,则可能可以追溯到先秦时期,因为《尔雅》就有关于花式小鼠的记载,其中 “豹文,鼮鼠” 说的是一种身上有像豹子一样的花纹的鼠。另外,在汉代也有关于花式小鼠的记载,《汉书·五行志中之上》中有这样的记载:“昭帝元凤 元年九月, 燕有黄鼠衔其尾舞王宫端门中。王往视之,鼠舞如故。王使吏以酒脯祠,鼠舞不休,一日一夜死 …...” [16](注:先秦时期和汉代文献里的鼠不一定是家鼠。)
 
所以,通过花式小鼠的培育历史,可以对实验小鼠的来源做一个推测:起源于中国的花式小鼠经日本到了西欧,然后又从西欧被引进到美国。同时在这个漫长的过程中,这些花式小鼠也在不断地和当地的家鼠进行融合。最后, Lathrop和Castle等科学家在美国培育成了现代的实验室小鼠。
 
当然,光是从花式小鼠的迁移历史来推断现在实验小鼠的起源还是有些勉强,下一个结论需要更强的证据,好在现代科学为这个问题提供了证据。通过检测实验室常见小鼠品系的基因组,科学家发现:常见实验室小鼠的基因组含有两个家鼠亚种的基因,分别是西欧-南欧-非洲亚种和北欧-东欧-东亚亚种,其中西欧-南欧-非洲亚种的基因占大多数 [17],这是因为在漫长的岁月里,东亚花式小鼠的基因不断被稀释了。
 
所以,这一来自分子生物学的证据支持了上面提出的假设。
 
实验小鼠的今生:基因修饰
 
了解了实验室小鼠的历史之后,我们知道了常见的实验小鼠品系实际上来源于数量有限的一些花式小鼠。这对生物学研究来说并不是一件好事,因为基因多态性的局限会让小鼠表现出来的性状的多样性也同样有限。
 
为了解决基因多样性缺乏的问题,在上世纪六七十年代,一些实验动物学家从世界各地的野外抓了一些小鼠到实验室进行纯化,建立了一些新的实验室小鼠品系 [18]。无疑,这是一个不错的办法,这些来自世界各地野生的小鼠品系表现出了一些不一样的性状。
 
但真正彻底解决问题的,还是科学技术的发展——小鼠基因修饰技术的出现。
 
动物基因修饰技术大致分为两类:第一类是往小鼠的单个小鼠胚胎细胞核里注射基因片段,然后这个基因片段会随机地插入到小鼠的基因组当中去,这就是转基因技术;第二类基因修饰是对小鼠的基因组进行定点改造,特异性地去改变某个基因。
 
转基因技术相对简单,因为只是把基因注射到细胞里去,所以也应用得早一些。1981年,在英国和美国的两个实验室里就制造出了真正的转基因小鼠 [19-21]。
 
而定向改变小鼠基因组的方法则出现得晚一些,因为它要求两种高端技术的组合才行,这就是基因同源重组技术和胚胎干细胞技术。
 
发明基因同源重组技术的是美国科学家Mario Capecchi 和 Oliver Smithies。Capecchi首先证明了引入哺乳动物内的DNA可以和细胞的染色体进行同源重组,而Smithies则成功地利用同源重组技术修复了人细胞里突变的基因。这显示基因同源重组技术可以用来对实验动物进行基因编辑,从而产生基因修饰的小鼠。要产生基因修饰的小鼠需要改变小鼠的生殖细胞,而Capecchi 和Smithies 所工作的都只是非生殖细胞。所以,还需要胚胎干细胞技术参与,因为小鼠胚胎干细胞能发育成小鼠。而发明小鼠胚胎干细胞技术的,是美国科学家Martin Evans [22]。
1986年,这两项技术走到了一起。1989年,历史上第一只基因敲除小鼠诞生,实验动物学从此进入了一个全新的时代。2007年,Capecchi、Smithies和 Evans三人分享了当年的诺贝尔医学或生理学奖 [22]。
 
随着科学技术的发展,更加方便的定向基因修饰技术被开发了出来,其中最为突出的就是CRISPR技术。CRISPR/Cas9系统本来是细菌和古细菌中的一种核酸酶,作为细菌的免疫系统的一部分,它原本是用来对付和消灭外来的病毒和质粒的基因 [23-25]。科学家发现了这个自然现象,于是利用它来改造各种生物细胞的DNA,包括小鼠 [26-27]。因为方便快捷以及适用范围广,CRISPR技术已经成为了现在制造基因修饰小鼠的主流工具,CRISPR的发现也获得了2020年的诺贝尔化学奖。
 
因为和人一样是哺乳动物,而且还容易被基因修饰,小鼠成为了最为常用的实验动物。现在,每年因为科学研究而献身的小鼠数以千万计,而且这个数字还在不断增加。在人类所进行的生物医学研究里,实验室小鼠起到了至关重要的作用。
 
所以,谨以此文献给那些为科学而献身的实验小鼠。
 
参考资料:
 
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