實驗室小鼠的祖先在中國？ | 商周專欄
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- 編者按 -
2020年1月，《知識分子》編輯部為讀者朋友們準(zhǔn)備了一批文章，其中包括老鼠與貓的故事，實驗鼠為人類作出的貢獻，黑猩猩學(xué)習(xí)的秘密等，計劃在農(nóng)歷鼠年春節(jié)期間刊發(fā)。新冠疫情暴發(fā)，武漢與湖北形勢告急，整個編輯部投入到了疫情的報道中，這批文章也被擱置。
幸運的是，目前國內(nèi)疫情已經(jīng)得到了很好的控制，新冠疫苗的有序接種，讓我們看到了擺脫新冠的希望。鼠年就要結(jié)束了，這些備稿也是時候與讀者朋友見面了。今天發(fā)表的文章，是關(guān)于實驗室小鼠的故事，希望大家喜歡。
在中國傳統(tǒng)文化里，并沒有多少好的詞匯來形容 “鼠”，但在生命科學(xué)領(lǐng)域，鼠是值得尊重的生靈。因為 “小鼠” 是最常用的模式動物， 沒有它們的貢獻，恐怕沒有那么多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，也沒有那么多可以用于臨床的新藥、新療法。萬物有靈，在（這個特別的）鼠年來臨結(jié)束之際，我們沿著歷史的軌跡回溯，看看第一個用小鼠來做生物醫(yī)學(xué)實驗的人是誰？現(xiàn)代實驗小鼠的祖先是誰？
撰文 | 商 周
責(zé)編 | 董賦好
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十六年前，我還是一個博士研究生，在一個不知名的免疫學(xué)實驗室做著遺傳學(xué)的工作。因為偶爾在小鼠的線粒體基因組上發(fā)現(xiàn)了一個突變，于是對這個基因組發(fā)生了興趣。
我們通常說的基因組在細胞核內(nèi)，由30億對左右堿基對組成；而線粒體基因組則是在細胞質(zhì)內(nèi)的線粒體里，只有1.6萬對堿基左右的大小。但別小看了這小小的線粒體基因組，它不僅編碼了一些為我們提供能量的關(guān)鍵基因，還可以用來作為分子鐘去顯示生命進化的歷史。而且，因為我們的線粒體基因組都是從母親那里遺傳來的，所以它還能被用來追溯母系的來源。
那時候我天真地想，如果把實驗室里常見的小鼠線粒體基因組都測一遍，沒準(zhǔn)能寫出一篇高分論文。我不僅是那樣想，而且也付諸了行動。那個時候測序遠不如現(xiàn)在容易，所以頗花了一些功夫。
但結(jié)果表明，我的想法帶有一種 “井底之蛙” 式的天真，所以高分的文章當(dāng)然沒有發(fā)成。作為一個間接的后果，倒是讓我寫下了這篇散文。
現(xiàn)代實驗小鼠之父
那次實驗我一共檢測了三十多個小鼠品系的線粒體基因組序列。這不是說我養(yǎng)了那么多品系的小鼠，因為用來測序的材料是直接買來的DNA，而能夠提供這么多不同品系小鼠DNA的，在這個世界上只有一個地方：美國的Jackson實驗室。
大凡做小鼠實驗的的人都會知道Jackson實驗室，因為這是世界實驗小鼠的圣地。在這個實驗室里，走出了George D. Snell——1980年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者。
在上世紀(jì)三四十年代，Snell在Jackson實驗室潛心于小鼠器官移植排異反應(yīng)的研究。利用當(dāng)時有限的遺傳學(xué)研究方法，他發(fā)現(xiàn)移植排斥反應(yīng)主要是由一個基因位點所控制的，當(dāng)兩個品系的小鼠在這個位點上有著相同的等位基因的時候，它們就能接受彼此的器官；否則，它們將相互排斥。1948年，Snell把這個位點命名為MHC（組織相容性復(fù)合物） [1]，這個發(fā)現(xiàn)讓他和另外兩位科學(xué)家分享了1980年的諾貝爾獎。
Snell之所以能在Jackson實驗室工作，很大程度上得益于當(dāng)時Jackson實驗室的領(lǐng)導(dǎo)人Clarence C. Little博士。Little不僅是當(dāng)時實驗室的領(lǐng)導(dǎo)人，也是這個實驗室的創(chuàng)始人。雖然Little本人沒有獲得過諾貝爾獎，但他在科學(xué)史上的地位要高于Snell。原因很明顯，一是他創(chuàng)建了Jackson實驗室，二是他培育了第一個近交系小鼠品系。[2]
對于行外人來說可能有些難理解創(chuàng)建Jackson實驗室和培育第一個近交系小鼠品系的意義。讓我用一個比喻來形容他們兩人在科學(xué)史上的地位吧：Snell憑借諾貝獎這張入場券進入了科學(xué)的名人堂，進去后他看到?jīng)]有諾貝爾獎但已經(jīng)坐在那里很久了的Little。
Little之所以邀請Snell加盟Jackson實驗室，其中一個重要的原因是他們相互了解。年長15歲的Little是Snell的大師兄，他們都是哈佛大學(xué)William E. Castle教授的學(xué)生。和他們同在Castle教授門下的還有著名的遺傳學(xué)家，提出 “遺傳漂變” 學(xué)說的Sewall G. Wright。[3]
作為Little、Snell和Wright的導(dǎo)師，Castle是實驗小鼠領(lǐng)域的開山鼻祖。
其實，在采用小鼠做實驗動物之前，Castle是做果蠅研究的。而且他也是第一個利用果蠅來做實驗的科學(xué)家，大名鼎鼎的遺傳學(xué)家托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan）就是從Castle這里得到了啟發(fā)而去利用果蠅進行研究，并發(fā)現(xiàn)了遺傳學(xué)第三定律 [4]。在1900年轉(zhuǎn)到用哺乳動物作為研究對象后，Castle也做過多種動物，包括豚豬、大鼠和小鼠。但不管怎樣，利用實驗小鼠，Castle開創(chuàng)了一個學(xué)派。
需要提一下的是，Castle遠不是第一個用小鼠來做生物醫(yī)學(xué)實驗的人。早在十六世紀(jì)，英國醫(yī)生 William Harvey 就用小鼠做實驗去研究過生殖和血液循環(huán)；在十七世紀(jì)，英國科學(xué)家Robert Hooke也研究過氣壓對小鼠的各項生物學(xué)指標(biāo)的影響；到了十八世紀(jì)，化學(xué)家Joseph Priestley和 Antoine Lavoisier 用小鼠作為動物模型研究過呼吸；等到十九世紀(jì)，德國微生物學(xué)家Robert Koch利用小鼠證明了炭疽病是由微生物引起的 [6]。
雖然以上科學(xué)家都用小鼠做過生物醫(yī)學(xué)研究，但他們所使用的小鼠和現(xiàn)在的實驗室小鼠沒有什么關(guān)系。真正和現(xiàn)代實驗室小鼠有關(guān)系的是Castle使用和培育的實驗室小鼠，因為它們至今依然在廣泛使用。
因此， Castle可以被稱 “現(xiàn)代實驗小鼠之父”。
現(xiàn)代實驗小鼠之母
雖然是哈佛大學(xué)的教授，Castle之所以能成為 “現(xiàn)代實驗小鼠之父”，并不僅僅是因為他個人的努力和智慧。在這一點上，他要感謝一個名叫Abbie Lathrop的女人。
Lathrop不是Castle的妻子，也不是科學(xué)家，而是一名普通女性。1868年出生在美國伊利諾斯的Lathrop沒有上過小學(xué)和中學(xué)，而是一直在家里接受教育。到16歲的時候，為了得到一個教師資格，她去一家學(xué)院學(xué)習(xí)了兩年，這讓她成為了一位有執(zhí)照的小學(xué)教師 [6]。
作為教師的Lathrop并不成功，甚至可以算得上是失敗。這倒不是因為她的天資不行，也不是因為她不夠努力，而是因為她的身體狀況太差。長期患病讓她不得不提前從學(xué)校退休，在32歲那年辭職搬家去了馬薩諸塞 [5]。
沒錯，馬薩諸塞就是哈佛大學(xué)所在地，但Lathrop并不是去大學(xué)工作，而是在那里的農(nóng)村成為了一個農(nóng)場主。Lathrop先是在她的農(nóng)場養(yǎng)家禽，但那些雞鴨并沒有給她帶來成功。再次失敗的她不得不又一次做出改變，她嘗試著在農(nóng)場里養(yǎng)起了寵物，主要是小鼠和大鼠。
得益于美國經(jīng)濟的快速發(fā)展，讓寵物有了不錯的市場，這一次Lathrop成功了。最多的時候，Lathrop的農(nóng)場飼養(yǎng)有一萬多只小動物。也是這個時候，她認識了當(dāng)時在哈佛大學(xué)當(dāng)教授的Castle，這個特殊的客戶改變了她的后半生。
Castle這個大學(xué)教授結(jié)識Lathrop這個農(nóng)場主并不是偶然，甚至可以說是一種必然。他們的相遇要感謝一位在生命科學(xué)史上一位殿堂級的人物：遺傳學(xué)的開山鼻祖格雷戈爾·孟德爾（Gregor Johann Mendel）。沒錯，就是那個在修道院里種豌豆的孟德爾，提出了教科書里的遺傳學(xué)第一和第二定律的孟德爾。
早在1884年就去世了的孟德爾之所以促成了Castle和Lathrop在1901年相識，是因為他生前提出的遺傳學(xué)定律太超前，直到1900年才被科學(xué)界重新發(fā)現(xiàn)和認可。之后，科學(xué)界出現(xiàn)了研究孟德爾遺傳學(xué)的熱潮，Castle就是其中的一位 “潮人”。Castle想利用小鼠來進行遺傳學(xué)的研究，于是他找到了附近的寵物農(nóng)場主Abbie Lathrop [6]。
如果Lathrop只是把Castle這樣的科學(xué)家當(dāng)成普通客戶，一手拿錢一手交貨了事，那么她的生活依然會波瀾不驚，也不可能把自己的名字留在科學(xué)史上。
可能部分是因為自己的健康問題吧， Lathrop對科學(xué)研究有了興趣，她開始和一些科學(xué)家客戶合作。而且，這種合作并不是簡單地提供實驗材料，而是她自己親自參與實驗，尤其是一些關(guān)于疾病的實驗。因為這種努力，Lathrop成為了十篇科學(xué)研究論文的作者，其中包括三篇發(fā)表在著名的 J. Exp. Med.雜志（《實驗醫(yī)學(xué)雜志》）上的第一作者論文 [7-9]。要不是五十歲時因為惡性貧血早逝， Lathrop應(yīng)該還會有更多的研究成果。
Lathrop死后，她被科學(xué)界稱為 “Mouse Woman of Granby”，中文可以意譯為 “實驗小鼠之母”。
說她是 “實驗小鼠之母” 是有科學(xué)證據(jù)的。說到這里又回到文章開始的地方，為什么我 “瘋狂” 的測序沒有得到一篇高分的文章。部分是因為測序的結(jié)果表明：絕大多數(shù)常見的小鼠品系的線粒體基因組幾乎相同。得到這樣有些讓人失望的結(jié)果其實主要是我自作自受，因為之前已經(jīng)有研究用另外的方法發(fā)現(xiàn)了這一點[10]，而我卻還偏偏要去測序。
當(dāng)然，這都是閑話，現(xiàn)在回到科學(xué)層面：為什么絕大多數(shù)小鼠品系的線粒體基因組幾乎相同呢？答案不復(fù)雜，這些不同品系的小鼠有一個共同的雌性小鼠祖先，這個祖先就是一百多年前的Lathrop農(nóng)場里的一只雌性小鼠。
這聽起來有些匪夷所思，但的確是事實。這么說吧，幾乎所有的1960年前培育的小鼠品系，無論是近交系（比如常見的 C57BL/6黑鼠, Balb/c白鼠，DBA/1 褐鼠），還是遠交系（比如外國常用的CD1, 還是國內(nèi)常用的昆明鼠）都是Lathrop農(nóng)場里的那只雌性小鼠的后代 [11-14]。
所以，雖然不是職業(yè)的科學(xué)家，Lathrop確是當(dāng)之無愧的現(xiàn)代 “實驗小鼠之母”。
實驗小鼠的前世：往前，再往前
Lathrop農(nóng)場的小鼠是現(xiàn)在實驗室小鼠的祖先，那Lathrop農(nóng)場的小鼠的祖先又是誰呢？
為了回答這一問題，先要說清楚一點：實驗室小鼠和我們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降募依锏睦鲜?/span>（家鼠）是一個品種，也就是說實驗室小鼠是用家鼠培養(yǎng)出來的，所以探討實驗室小鼠祖先的問題就是要搞清楚它們是從哪里的家鼠培養(yǎng)而成的問題。
家鼠在世界上主要有三大亞種，分別是西歐-南歐-非洲亞種、北歐-東歐-東亞亞種、東南亞亞種。大約在50萬年前，這三個亞種在帕米爾高原一帶分開，然后慢慢擴散到了各自的區(qū)域 [15]。
看到這里您可能會覺得奇怪，為什么沒有美洲和大洋洲的家鼠亞種？這個問題的答案是，本來美洲和大洋洲是沒有家鼠的，是歐洲的殖民者把家鼠帶到了美洲和大洋洲，所以現(xiàn)在美洲和大洋洲的家鼠都是西歐-南歐-非洲亞種。
那么，實驗小鼠的祖先是哪一個亞種呢？
如果拿這個問題去問 “實驗小鼠之母” Lathrop，她可能會告訴你她最初的那幾只花式小鼠是從哪里來的，然后就不能提供更多的信息了。
在Lathrop能提供的有限信息里，其中有一個非常關(guān)鍵的詞：“花式小鼠（fancy mouse）”。這個詞能幫助我們找到實驗小鼠的祖先信息，因為花式小鼠的歷史是可以追溯的。
美國的花式小鼠的來源是歐洲，在19世紀(jì)從歐洲傳到美國；而歐洲的花式小鼠則是在18世紀(jì)初從日本傳過去的 [16]。那么日本的花式小鼠又來源于哪里呢？
中國。
早在17世紀(jì)中葉，也就是中國的明清交際之際，就有花式小鼠由東渡的僧人和來訪的日本人從中國帶到了日本的文獻記錄 [16]。而中國培養(yǎng)花式小鼠的歷史，則可能可以追溯到先秦時期，因為《爾雅》就有關(guān)于花式小鼠的記載，其中 “豹文，鼮鼠” 說的是一種身上有像豹子一樣的花紋的鼠。另外，在漢代也有關(guān)于花式小鼠的記載，《漢書·五行志中之上》中有這樣的記載：“昭帝元鳳 元年九月， 燕有黃鼠銜其尾舞王宮端門中。王往視之，鼠舞如故。王使吏以酒脯祠，鼠舞不休，一日一夜死 …...” [16]（注：先秦時期和漢代文獻里的鼠不一定是家鼠。）
所以，通過花式小鼠的培育歷史，可以對實驗小鼠的來源做一個推測：起源于中國的花式小鼠經(jīng)日本到了西歐，然后又從西歐被引進到美國。同時在這個漫長的過程中，這些花式小鼠也在不斷地和當(dāng)?shù)氐募沂筮M行融合。最后， Lathrop和Castle等科學(xué)家在美國培育成了現(xiàn)代的實驗室小鼠。
當(dāng)然，光是從花式小鼠的遷移歷史來推斷現(xiàn)在實驗小鼠的起源還是有些勉強，下一個結(jié)論需要更強的證據(jù)，好在現(xiàn)代科學(xué)為這個問題提供了證據(jù)。通過檢測實驗室常見小鼠品系的基因組，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：常見實驗室小鼠的基因組含有兩個家鼠亞種的基因，分別是西歐-南歐-非洲亞種和北歐-東歐-東亞亞種，其中西歐-南歐-非洲亞種的基因占大多數(shù) [17]，這是因為在漫長的歲月里，東亞花式小鼠的基因不斷被稀釋了。
所以，這一來自分子生物學(xué)的證據(jù)支持了上面提出的假設(shè)。
實驗小鼠的今生：基因修飾
了解了實驗室小鼠的歷史之后，我們知道了常見的實驗小鼠品系實際上來源于數(shù)量有限的一些花式小鼠。這對生物學(xué)研究來說并不是一件好事，因為基因多態(tài)性的局限會讓小鼠表現(xiàn)出來的性狀的多樣性也同樣有限。
為了解決基因多樣性缺乏的問題，在上世紀(jì)六七十年代，一些實驗動物學(xué)家從世界各地的野外抓了一些小鼠到實驗室進行純化，建立了一些新的實驗室小鼠品系 [18]。無疑，這是一個不錯的辦法，這些來自世界各地野生的小鼠品系表現(xiàn)出了一些不一樣的性狀。
但真正徹底解決問題的，還是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展——小鼠基因修飾技術(shù)的出現(xiàn)。
動物基因修飾技術(shù)大致分為兩類：第一類是往小鼠的單個小鼠胚胎細胞核里注射基因片段，然后這個基因片段會隨機地插入到小鼠的基因組當(dāng)中去，這就是轉(zhuǎn)基因技術(shù)；第二類基因修飾是對小鼠的基因組進行定點改造，特異性地去改變某個基因。
轉(zhuǎn)基因技術(shù)相對簡單，因為只是把基因注射到細胞里去，所以也應(yīng)用得早一些。1981年，在英國和美國的兩個實驗室里就制造出了真正的轉(zhuǎn)基因小鼠 [19-21]。
而定向改變小鼠基因組的方法則出現(xiàn)得晚一些，因為它要求兩種高端技術(shù)的組合才行，這就是基因同源重組技術(shù)和胚胎干細胞技術(shù)。
發(fā)明基因同源重組技術(shù)的是美國科學(xué)家Mario Capecchi 和 Oliver Smithies。Capecchi首先證明了引入哺乳動物內(nèi)的DNA可以和細胞的染色體進行同源重組，而Smithies則成功地利用同源重組技術(shù)修復(fù)了人細胞里突變的基因。這顯示基因同源重組技術(shù)可以用來對實驗動物進行基因編輯，從而產(chǎn)生基因修飾的小鼠。要產(chǎn)生基因修飾的小鼠需要改變小鼠的生殖細胞，而Capecchi 和Smithies 所工作的都只是非生殖細胞。所以，還需要胚胎干細胞技術(shù)參與，因為小鼠胚胎干細胞能發(fā)育成小鼠。而發(fā)明小鼠胚胎干細胞技術(shù)的，是美國科學(xué)家Martin Evans [22]。
1986年，這兩項技術(shù)走到了一起。1989年，歷史上第一只基因敲除小鼠誕生，實驗動物學(xué)從此進入了一個全新的時代。2007年，Capecchi、Smithies和 Evans三人分享了當(dāng)年的諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎 [22]。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更加方便的定向基因修飾技術(shù)被開發(fā)了出來，其中最為突出的就是CRISPR技術(shù)。CRISPR/Cas9系統(tǒng)本來是細菌和古細菌中的一種核酸酶，作為細菌的免疫系統(tǒng)的一部分，它原本是用來對付和消滅外來的病毒和質(zhì)粒的基因 [23-25]?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)了這個自然現(xiàn)象，于是利用它來改造各種生物細胞的DNA，包括小鼠 [26-27]。因為方便快捷以及適用范圍廣，CRISPR技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)在制造基因修飾小鼠的主流工具，CRISPR的發(fā)現(xiàn)也獲得了2020年的諾貝爾化學(xué)獎。
因為和人一樣是哺乳動物，而且還容易被基因修飾，小鼠成為了最為常用的實驗動物?，F(xiàn)在，每年因為科學(xué)研究而獻身的小鼠數(shù)以千萬計，而且這個數(shù)字還在不斷增加。在人類所進行的生物醫(yī)學(xué)研究里，實驗室小鼠起到了至關(guān)重要的作用。
所以，謹以此文獻給那些為科學(xué)而獻身的實驗小鼠。
制版編輯 | 盧卡斯
