一个分子和两个天才（一）：连体老鼠实验 王立铭，懂点制药行业的神经生物学家，自封的科学启蒙主义者 1969 年夏天，美国缅因州巴尔港，杰克逊实验室。一个穿着白大褂的中年人正在忙活着手里两只胖乎乎的小黑老鼠。 东边那个脾气捉摸不定的红色帝国时不时还会散播一些威胁和恐惧，但至少在普通美国人的心中，7 年前古巴导弹危机的阴影已经渐渐淡去。几周前尼尔.阿姆斯特朗在月球表面那句注定名垂千古的“这是个人的一小步，却是人类的一大步”（a small step for a man, a giant leap for mankind）尽管从老式的落地收音机里听来断断续续，却还是让万千美国人热泪盈眶。这是一个充满奇迹的时代，科学技术的力量似乎从来未曾如此无坚不摧。在同时代的伟大科幻小说家艾萨克.阿西莫夫的笔下，未来人类将沿着机器文明的轨迹在全宇宙开枝散叶，永世不朽。 1969 年 7 月 20 日，人类第一次踏上外星球的土地。图中所示的是美国宇航员尼尔.阿姆斯特朗（Neil Armstrong）走下阿波罗 11 号月球舱的舷梯时的情景。镜头远方，是我们蔚蓝色的母亲星球。（图片来自http://voices.nationalgeographic.com） 如果稍微聚焦下我们的视角，实验室窗外风景如画。巴尔港虽然只有几千常住居民，却是闻名世界的度假胜地。每到夏季，游轮载着来自欧洲的游客前来，沙滩上满是骑着公路自行车，准备去钓龙虾、看海豹的旅行者。 两只小老鼠？听起来怎么也不会是宏大叙事或是悠长假期的主角啊。 这个中年人名叫道格.科曼（Douglas L Coleman），加拿大电气修理工的孩子。1958 年科曼从美国的威斯康星大学拿到生物化学方向的博士学位，之后他在杰克逊实验室找到一份临时工作。本计划呆上两三年就返回加拿大谋职的科曼，不久以后就爱上了巴尔港清爽的海风和无垠的海景，于是他留下了， 在这里呆到退休和去世。 杰克逊实验室以庞大的小鼠遗传资源闻名于世，这个实验室从 1929 年建立起就致力于发展标准化的小鼠遗传学模型和资源，并靠向全世界科学家销售他们自己培育的各种奇奇怪怪的小鼠获得收入。在科曼入职工作前后，杰克逊实验室的科学家们偶然间发现了两种体型异常肥硕的黑色的小老鼠，并给他们起名字叫 ob（肥胖，obesity）和 db（糖尿病，diabetes）。两种小鼠的体重可以长到普通老鼠的三倍大，有着及其肥大的脂肪储备，并且像人类肥胖症患者一样有各种各样的健康问题：早夭、高血糖、糖尿病（仅 db 老鼠）等等。杰克逊实验室的科学家们已经通过非常麻烦而且耗时的遗传学手段确定了两种脂肪异常增多的小鼠是由分别位于第 6 号和第 4 号染色体的两个基因被突变导致的。之后呢，这两种小鼠就被细心地培育并出售，但似乎没有多少科学同行对它们产生过兴趣。 ob 老鼠（左）和正常老鼠（右）的体型对比（图片来自英文维基百科） 现在的读者们可能会马上提问，为什么没有人用它们来研究肥胖呢？它们看起来是研究人类如何发胖、又应该如何控制体重的绝佳材料啊？然而在五十年前，人们的主流理解是，肥胖是一种和大脑功能有关的、涉及到食欲控制的疾病。这个也和人们日常观察中胖子总是比较有好胃口、而好胃口很有可能会让人长胖相一致。而与此对应的，有不少严谨的科学实验证明大脑里某些特定区域（例如下丘脑，记住这个名字）专门负责控制吃东西的多少。与此同时，就像许多读者们脑海里的想象一样，科学家们简单地认为脂肪组织无非是身体用来储存和堆积过剩的能量的地方。研究小老鼠们脂肪为什么变多？听起来就是个很无聊的问题吧！ 很明显，我们的科曼先生没有这么想，否则他就不用满头大汗的折腾这两只胖老鼠了。他正在做一个叫做“连体老鼠”（parabiosis）的实验，简单来说，就是通过外科手术，把两只小老鼠从肩膀到盆腔之间的皮肤连在一起，将两者的血液循环联通，人为制造出类似于人类连体婴儿的现象来。做完手术的老鼠看起来像是这样： 两只毛色不同的老鼠通过“连体实验”操作被连在一起，它们的循环系统也因此联通（图片来自 Duyverman et al Nature Protocols 2012） 连体老鼠的手术不容易做，即便做成功，也需要几周的时间耐心照顾和喂养，在伤口愈合后才能进行真正的实验观察。科曼也是花了相当一段时间，才从杰克逊实验室的同事那里学来了这门手艺。要知道，对一个习惯了摆弄瓶瓶罐罐的生物化学家来说，这门手艺可真的不容易学会。 科曼要做的，是把一只肥胖的 db 小老鼠，和一只体型正常的普通小老鼠，做成连体，就像这样： 科曼先生的第一个实验：把 db/db 胖老鼠和正常的瘦老鼠通过连体实验连接在了一起。他当时的猜测是，如果 db/db 老鼠肥胖是因为血液里缺了什么肥胖抑制因子，那么连通后 db/db 老鼠就能够减肥了，因为它可以从正常老鼠血液中获取这种因子（图片来自 Coleman 2010 Nature Medicine） 尽管不一定是动物福利主义者，我们的科曼先生显然也没有无聊折腾小动物的闲情逸致。他的连体动物实验是为了回答一个萦绕在他脑海里的问题：ob 和 db 小老鼠之所以肥胖，是不是因为他们的血液里缺了某种抑制肥胖的物质？这种物质可能能够抑制食欲，所以缺乏了它的小鼠就会拼命进食把自己吃成胖子；这种物质也可能能够加速能量消耗，所以缺乏了它的小鼠就会整日懒洋洋躺着养膘，不过无论如何，如果这个物质真的存在，那么如果把一只正常小鼠的血液通到肥胖小鼠体内，是不是也许就可以为 ob 或者 db 小鼠减肥了？ 手术看起来成功了，科曼站起身来长舒了一口气，摘下手套擦擦额头的汗水。就看术后恢复和接下来小老鼠们的表现了。 然而接下来的几个月我们的科曼先生一直很苦恼：手术看起来每次都做得干净漂亮，术后恢复情况也不错，db 小鼠看起来还是在到处没完没了的找吃的养膘，可是相连的普通小老鼠却看起来始终没有恢复健康，一直病怏怏的，食欲也不好。尽管科曼悉心照料，普通小老鼠还是接二连三的在术后一两个月的时间死去，死的时候骨瘦如柴，惨不忍睹。 为什么？这到底是为什么？抓破了脑袋的科曼在排除了自己手术过程的一切出错可能以后有点茫然了。 直到这年冬天的某一天，天才的灵光开始光顾我们的科曼先生了。 老实说，从科曼先生的科学文章，以及他的公开演讲来看，科曼谈不上是一个天才——至少不是一般人认为的那种科学怪才或者电脑奇才的形象。在六七十年代的天才发现之后，科曼似乎再也没有做出过什么别的惊天动地的科学发现，只是在杰克逊实验室老老实实继续着自己的科学职业。然而根据我的经验，大众心目中的天才形象往往并不真实，大多数无非来自媒体和公众自身对天才的无端想象而已。所谓天才，在科学史、乃至人类历史上往往仅仅是在某个时间、某个地点，产生过天外飞仙般的奇思妙想的普通人而已。 茨威格在他的名著《人类的群星闪耀时》里面这样写道：“一个真正具有世界历史意义的时刻，也就是一个人类的群星闪耀的时刻出现之前，必然会有漫长的岁月无谓的流逝而去...这时刻在人的一生和历史的进程中都十分难得……但他们的决定性影响超越时间”。 大哉斯言。 茨威格名著《人类的群星闪耀时》。一本非常特别的传记，讲述在人类历史的关键转折点，个人意志与历史潮流碰撞交汇，光芒照耀人类文明的天空。 现在，对于生物学，对于人类对自身奥秘的孜孜探求，正是这样一个时刻。 看起来之前的假设错了，db 小鼠不是缺了什么抑制食欲控制肥胖的东西，否则和正常小鼠相连会让它减肥，而不是相反。 那么会不会……其实是 db 小老鼠体内产生的什么东西，让与之相连的正常小老鼠拒绝进食，乃至饿死？ 那么接下来……既然 db 小老鼠能够产生这种抑制食欲的东西，那为什么 db 小老鼠自身却如此肥胖？要知道，我本来的设想是 db 小鼠不能产生这种抑制食欲的东西啊？ 那么会不会……会不会是 db 小老鼠缺乏感受到这种抑制食欲的东西的能力？ 甚至更进一步，会不会和我之前的想法恰恰相反，因为自身感受能力的缺乏，使得这种抑制食欲的东西在 db 小鼠体内含量特别特别高（比如某种未知的补偿因素）？这样就可以解释，当 db 小鼠与正常小鼠血脉相连之后，非常多的这种食欲抑制物质进入正常小老鼠体内，导致了严重的厌食？ 思维体操结束。科曼提出了一个看起来很不错的假设：动物的血液里存在一种能够有效抑制食欲的物质，而 db 小鼠缺乏感受这种物质的能力，从而导致暴饮暴食和严重的肥胖。同时，科曼还猜测，也许下丘脑具备感受这种物质的能力，这也可以解释为什么切除下丘脑的部分脑区会带来类似的、暴饮暴食的症状。 自然的奥秘在这一刻轻轻揭开面纱，对科曼先生开始微笑了。 好了，科曼先生现在有了一个很有趣的假说：db 胖老鼠可能缺乏对一种食欲抑制因子的感受能力，从而导致自己毫无节制的暴饮暴食，把小小肚子吃得像个圆滚滚的枕头。 这样的故事听起来好像有点无趣：一种名字叫 db 的胖老鼠为什么胖，好像和我们人类没什么关系啊？亲爱的读者们，这时候只需要你们稍微调转一下思维的方向就对了：科曼的假说，其实意味着，正常的老鼠体内应该存在一种物质，这种物质能够抑制食欲，从而将从食物中摄取的能量（进而将动物的体型）控制在合理的范围内。鉴于小小老鼠和人类在诸多方面的相似性，这个假说“稍微”推广到人类中的可能性是很大的。 因此，科曼的连体老鼠实验一开始，就指向了一个每个读者可能都会关心的问题：我们人体内是否存在这种抑制食欲、控制体型的物质？它是什么？它能够帮助我们更好的维持身体的美好形态，和我们的身体健康么？ 带着可能发现新世界的激动心情，我们的科曼先生又在继续他的连体老鼠实验。 科曼先生的第二个实验：把 ob/ob 胖老鼠和正常的瘦老鼠通过连体实验连接在了一起。（图片来自 Coleman 2010 Nature Medicine）自然而然的，折磨完了 db 胖老鼠之后，科曼立刻开始用肥胖程度不遑多让的 ob 胖老鼠做连体实验。科曼开始的想法是，既然 ob 和 db 两种胖老鼠看起来如此相像，ob 老鼠和正常老鼠的连体实验可能也会得到类似于 db- 正常老鼠连体的结果吧？ 实验的结果又一次让科曼先生的眼镜碎了一地（没错，年轻时候的科曼先生也戴眼镜，有图为证） 年轻时的道格.科曼。图片来自纽约时报。把 ob 胖老鼠和正常老鼠连体之后，ob 胖老鼠慢慢的开始减肥瘦身了！它的食欲逐渐下降，甚至降低到正常老鼠的水平；像高血糖、高脂肪等等恼人的问题也似乎在慢慢消失。与此同时，正常老鼠的生活也没有受到任何影响。 反了，完全反了： db 和 ob 老鼠都很胖，胖的程度都相差无几 在 db- 正常老鼠的连体实验中，正常老鼠食欲下降乃至饿死，db 老鼠肥胖依旧； 在 ob- 正常老鼠的连体实验中，正常老鼠却一切正常，反而是 ob 老鼠开始发奋减肥，向正常体态靠拢。 还在找眼镜或者抓脑袋的科曼先生也许没有意识到，命运之神在对他微笑了。如果说 db- 正常老鼠的连体实验，以及科曼先生的第一个假说，是天才的灵光一现。那么 ob- 正常老鼠连体给出的相反结果，则是上天赐给科曼先生的一个完美解答肥胖奥秘的绝佳机会。 让我们附体半个多世纪前的这位科学家，一起做做探索人类自身奥秘的思维体操吧。 重温一下 db- 正常老鼠连体实验的发现：在 db- 正常老鼠的连体实验中，正常老鼠食欲下降乃至饿死，db 老鼠肥胖依旧。这个发现暗示，正常老鼠体内可能存在一种抑制食欲、保持身材的物质，而 db 老鼠缺乏感知这种物质的能力（从而导致这种物质在 db 老鼠体内报复性的含量急剧升高），于是自暴自弃暴饮暴食乃至大腹便便。而将两者血液连通之后，大量的食欲抑制物质通过血液循环从从 db 老鼠进入正常老鼠体内，导致正常老鼠食欲全无。 按照这个思维方式，如何解释在 ob- 正常老鼠的连体实验中，正常老鼠一切正常，反而是 ob 老鼠开始发奋减肥，向正常体态靠拢？是不是说明，正常老鼠体内具备的这种食欲抑制因子通过血液循环进入到 ob 老鼠体内，从而让 ob 老鼠开始减肥？ 继续。这种能够通过血液流通的、抑制食欲的物质如果当真存在，而且能让 ob 胖老鼠减肥，是不是说明，ob 胖老鼠本身缺乏这种物质？ 等一等，等一等。 让我们回头看看我们思维体操的结果：动物体内天然存在一种抑制食欲、保持体形的物质，ob 老鼠缺乏这种物质，而 db 老鼠缺乏感知这种物质的能力，于是两者不约而同的发胖。 看起来好像不错。可是我们的运气有那么好么？科学家们在过去十多年的时间里偶然发现的两只胖老鼠，居然恰好像锁和钥匙一样共同配合决定了动物的食欲和体型？ 在抓狂和向命运祈祷之前，让我们再一次学着像科学家，或者说半个多世纪前的科曼先生一样，思考，提问，动手验证。 如果我们的运气真的有这么好。那么我们可以提出一个假说：如果把 ob 和 bd 老鼠连体，我们应该看到的是： ob 老鼠会瘦下去，而且会瘦的非常厉害。因为它会从 db 老鼠那里得到源源不断的、它自身缺乏的那种抑制食欲的物质。 而 db 老鼠，则会毫无反应的继续胖下去，甚至会越来越胖，因为它不能从 ob 老鼠那里得到对这种食欲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维走到这里而不迷惑，你就具备了利用科学方法解释关于我们自身的奥秘的能力。因为在接下来的实验中，科曼先生的实验完美验证了上面我们的假说。 在完成了上面一系列美妙的实验之后，科曼重新从天才走回平凡。在未来的十几年时间里，道格.科曼徒劳的利用各种生物化学的方法（别忘了，这才是他的老本行）试图发现这种假想中的食欲抑制因子是什么，但是从未获得成功。与此同时，在 DNA 双螺旋结构带来的生物学黄金时代里，写满了诸如半保留复制， tRNA，中心法则，密码子这样闪闪发光的发现，科曼的发现和科曼的假说从未得到过足够的重视和理解。 1993 年，62 岁的科曼先生从杰克逊实验室退休，直到这时我们都还不知道科曼先生所猜测的食欲抑制因子是否真的存在，以及它到底是什么；尽管科学界已经有声音开始接受和支持科曼先生的假说，但是直到此时科曼的发现还没有得到过任何值得一提的科学奖励。 但是千万不要想当然地觉得我们的科曼先生是个孤独的、愤懑的斗士，像布鲁诺、黎曼、康托那样的寂寞天才。相反，科曼先生是个无比热爱生活和家庭的完美好男人。在过去几十年的工作里，他每天 7 点上班，5 点半准时到家和家人一起晚餐。他和挚爱一生的夫人 Beverly 一起养育四个子女，并且每年都会带着全家去看看世界上美好的风景。62 岁的他之所以准时退休关闭实验室，也并不是被科学界逼的无处容身，而是主动选择了更多陪伴爱人、饱览美景的机会。 就像我说的，天才的灵光一闪，在二十世纪六十和七十年代让道格拉斯·科曼利用优雅简洁的实验，把我们引向关于我们身体的惊人奥秘。科曼兴致勃勃的摆弄和观察两只连体小老鼠的时刻，毫无疑问是茨威格所说的“人类的群星”闪耀的时刻。在那之后，我们的科曼先生，重新变为凡人，一个可亲可敬、对生活充满热爱的普通人。 应该说，命运还是很厚待科曼先生的，不仅仅因为他的天才发现，和他的幸福家庭。在 1995 年，科曼退休仅仅两年之后，美国洛克菲勒大学的杰弗瑞.弗里德曼（Jeffery Friedman）和他的同事们利用现代遗传学手段，在艰苦漫长的八年探索后找到了科曼先生预言的这个存在在血液循环系统里的、能够抑制食欲和控制体型的蛋白质因子，并命名为“瘦素”（leptin，源于希腊语“瘦”）。正如科曼先生的假说，ob 老鼠在瘦素基因中存在遗传突变，从而失去了产生瘦素、从而控制自身食欲和体重的能力。瘦素蛋白也正如科曼先生的连体实验所揭示的，是可以在血液中流动，通过循环系统深入身体各个组织的。 随后的短短几年内，科曼所预测的、db 老鼠中缺乏感知食欲抑制因子的能力的假说也得到了完美的证实和解释。千禧年制药（Millennium Pharmaceuticals）的科学家利用表达性克隆的技术找到了瘦素的受体分子，也就是感知瘦素的蛋白质分子；而弗里德曼实验室随后很快令人信服的证明，db 老鼠中的瘦素受体基因被突变从而丧失功能。而就像科曼曾经猜测过的那样，瘦素受体蛋白高度集中在动物的下丘脑区域。 道格·科曼（左）和杰弗瑞·弗里德曼（右）合影（小黑老鼠正在咬科曼先生的手臂！）图片来自 http://www.jax.org科曼先生于 2014 年 4 月因恶性皮肤癌去世，享年 82 岁。在瘦素分子被发现后，科曼誉享全球，已成为活着的传奇。有人遗憾科曼如果能再长寿几年，将几乎肯定会拿到诺贝尔奖。 不过我想科曼先生一定不在乎。倒不是猜测科曼先生淡泊名利，而是我知道，在阿波罗登月后的那个冬天，当科曼先生把两只胖老鼠用手术连在一起，并猜测一个食欲抑制分子的存在的时候，他已经得到了人世间最高的奖赏。就像一个在沙滩拾贝、无意间看到无垠大海的小男孩，那一瞬间的惊喜和快乐，非尘世任何奖赏可及。 发自知乎专栏「以负熵为生」
