美国的生物医学研究领域有几个著名的私人实验室,例如纽约长岛的冷泉港实验室(Cold Spring Harbor Lab)和加州拉荷雅的沙克研究院(Salk Institute,以小儿麻痹疫苗开发者沙克命名)。然而,位于缅因州巴尔港(Bar Harbor)的杰克森实验室(Jackson Laboratory)可能鲜为人知。这个坐落在沙漠山岛(Mt. Desert Island)峭壁上、俯瞰大西洋的研究机构,是小鼠研究的圣地,拥有超过七十年的历史,比同样建在悬崖上、俯瞰太平洋的沙克研究院(四十年历史)更为悠久,但略逊于百年历史的冷泉港实验室。
杰克森实验室由遗传学家克拉伦斯·C·立托尔(Clarence C. Little, 1888-1971)于1929年创立。立托尔毕业于哈佛大学,第一次世界大战后曾在冷泉港实验室工作三年。他的最大贡献是建立了近亲繁殖的纯系小鼠,其中黑色品种C57BL至今仍被广泛使用。立托尔于1922年担任缅因大学校长(年仅32岁,是美国当时最年轻的校长),三年后转任密歇根大学校长。尽管身居校长之位,他并未放弃研究,每年夏天都回到巴尔港休假并进行实验。1929年,因治校理念与校董事会不合,他主动辞职,带着七位年轻同事回到巴尔港建立了实验室。实验室的主要赞助人之一、底特律汽车工业巨头罗斯科·B·杰克森(Roscoe B. Jackson)提供了资金,因此实验室以他的名字命名。研究方向主要集中在癌症和免疫排斥。
杰克森实验室成立后不久,美国股市崩盘,进入经济大萧条时期。为了生存,实验室开始出售自己培育和繁殖的纯系小鼠以补贴开销。从此,杰克森实验室不仅从事研究,还成为全美乃至全球各种纯系小鼠最重要的养殖和供应中心。
1947年,沙漠山岛的一场野火将整个实验室化为灰烬。许多人劝立托尔将实验室迁往其他更有规模的学术机构,但他坚持重建并积极募款。两年半后,全新、设备更先进的杰克森实验室在原址重新开张,各种品系的小鼠从美国、加拿大和英国各地涌入,包括之前从该实验室送出的以及许多新的突变种。其中有两个突变种与体重和代谢控制有关,这也是本文的另一主角。
1950年代初,实验室的动物房管理员发现了一只体型异常硕大的老鼠蜷缩在角落。起初研究人员以为是怀孕,但迟迟未见分娩,才发现那是一只公鼠。这只老鼠的食量是正常鼠的三倍,不吃东西时则安静不动。于是,研究人员将其命名为“肥胖”(obese),简称ob鼠。
Ob鼠由隐性基因突变引起,必须两个ob基因都发生突变才会表现出极度肥胖。由于这种老鼠不易繁殖,且存在不同的突变种导致实验解释困难,因此使用ob鼠的研究并不多。
1966年,杰克森实验室的生化学家道格拉斯·寇尔曼(Douglas Coleman)及其同事发现了另一种肥胖老鼠。这种老鼠没有ob鼠那么胖,但表现出糖尿病症状:多饮、多尿、高血糖、尿糖,并对胰岛素不敏感。因此,他们将其命名为“糖尿病”(diabetic),简称db鼠。由于糖尿病是影响人类的重要疾病,db鼠的出现给研究人员带来了很大希望,尤其是针对肥胖且胰岛素不缺乏的2型糖尿病。
随后,寇尔曼进行了一项精巧的实验,揭示了ob鼠和db鼠突变不同但相关的机制。他采用手术将两只老鼠的腹侧皮肤和腹膜切开后缝合,形成连体动物(类似连体婴),使彼此的血液得以交换。他分别进行了db与正常、ob与正常以及db与ob之间的连体实验。结果发现:与db鼠连体的正常鼠几乎停止进食,最终瘦弱而死;与ob鼠连体的正常鼠存活良好,且ob鼠体重下降;而将ob与db鼠连体,两只老鼠都逐渐变瘦并死亡。
这个实验表明:ob鼠体内似乎缺乏某种抑制食欲和体重的物质,但可以从正常鼠获得;而db鼠体内似乎拥有过多的这种物质,可以作用于正常鼠和ob鼠,导致这些动物挨饿致死,但db鼠本身可能缺乏这种物质的受体,因此无法产生作用。关于这种未知物质的来源和作用部位,曾有诸多猜测,最终锁定在脂肪组织和下丘脑。这一发现与之前关于人体体重受“脂肪计”控制、根据“设定点”调节进食和能量消耗的假说不谋而合。寇尔曼的研究生涯后期致力于寻找这个未知因子,但直到1991年从杰克森实验室退休,都未能如愿。
后来,在1994年,杰弗里·弗里德曼(Jeffrey Friedman)等人成功克隆了ob基因,并发现其编码的蛋白质——瘦素(leptin),由脂肪组织分泌,作用于下丘脑,调节食欲和能量代谢。这一发现证实了寇尔曼的假说,并开启了肥胖研究的新纪元。
参考文献:
1. Coleman DL. Obese and diabetes: two mutant genes causing diabetes-obesity syndromes in mice. Diabetologia. 1978;14(3):141-148.
2. Zhang Y, Proenca R, Maffei M, et al. Positional cloning of the mouse obese gene and its human homologue. Nature. 1994;372(6505):425-432.