复杂的基因网络隐藏着引发肥胖、癌症以及心脏等病症的奥秘,美国杰克逊实验室正在通过老鼠实验,以此拨开困扰人类的多种疾病与基因之间的重重迷雾——
地处美国缅因州沿海地区的巴港镇,常住居民有5000多人。与其他地区的人一样,他们中有的人健康长寿安享一生,有的人却英年早逝。据统计预测,他们中的约1400人将死于心脏疾病,1100人将死于各种癌症,还有一些人则忍受着慢性疾病的折磨;其中还有约1600人患有肥胖症、糖尿病和骨质疏松症等多种疾病。当然,环境的影响和生活方式与人们的健康状况有着很大的关系,但巴港镇居民迥然不同的命运,在很大程度上与他们所携带的不同的遗传基因有关。
杰克逊实验室
如果能确定与各种不同疾病有关的DNA,就能找到治疗这些疾病的方法;而这正是遗传学家正在做的事情。19世纪奥地利遗传学家格雷戈尔·孟德尔(Gregor Mendel)在园中对豌豆进行简单的杂交实验,就发现了与遗传有关的规律:长出皱皮的豌豆或是表面光滑的豌豆取决于一个基因;而引起大多数人类疾病的却是复杂的基因网络。这些基因网络,有的包含数十个基因,有的包含数百个基因。想通过某一个基因去理解某种疾病的努力,就像通过一个字去理解整本杂志的内容一样,是不可能的。
而要在复杂的基因网络里探索多个基因的奥秘,其困难程度也是难以想象的。我们每个人都有着各自不同的基因组合,我们的下一代则将两套基因构成了更为复杂的组合。如果要在人类身上确定一个基因网络,最理想的方式就是进行这样一个实验:选择两个家庭,每个家庭都有十几对同卵双胞胎,然后通过这两个家庭间的交配,让相同的基因一次又一次地组合在一起。当孩子长大时,看谁得了某种疾病,谁没有得;再看他们从父母那里遗传了哪些基因。然后再找更多的同卵双胞胎家庭反复地做这样的实验。
当然,事实上没有人能做这样的实验。但在巴港镇的郊外有个杰克逊实验室,却正在做着类似的实验。在实验室里,一个个透明塑料盒子里饲养着5000只老鼠,从地面一直堆放到天花板。
如像同样数目的巴港镇居民一样,这里的每一只老鼠都有自己不同的生活习惯和行为方式(无论是后天习得的还是遗传得来的)。盒子里,老鼠紧紧挤在一堆睡着,另一个盒子,它们互相为对方梳理皮毛,再另一个盒子,老鼠们互相打闹角斗。每一只老鼠都有不同的基因组成,其性格特点以及外形也都不同,有的胖乎乎,有的瘦骨伶仃,有的皮毛是巧克力色或是奶油色的;有的老鼠骨质软弱,有的则骨骼强健。其中有的老鼠可活到3年“高寿”,有的只能活几个月。这些看似普通的啮齿类动物,其实属于40个不同的品系,每一种品系经过多代的近交培养,从而拥有了相同的遗传基因——每一个品系的老鼠具有相同的基因。
在杰克逊实验室里,科学家对老鼠进行X光照射,跟踪它们肌肉和脂肪的生长情况,并悄悄地把老鼠尾巴塞进血压计,以测量它们的血压;有时他们把老鼠放在踏板车上录像,记录下老鼠吃喝和睡眠的方式,包括抽取老鼠的血液以测量数十种化合物的水平。这些经过基因纯化培养的老鼠群落,正是科学家用来破译遗传性疾病的奥秘之所在。
单基因疾病与复杂基因网络
杰克逊实验室创始人克拉伦斯·利特尔
杰克逊实验室是世界上实验鼠最多的实验室之一。要培养出这么多近交系实验鼠需要时间,而实验室从1929年建立之初就开始了这一工作,比其他任何实验室都早。研究人员从实验鼠身上取得的研究成果,通常也适用于人类,因为人和老鼠有着99%的类似基因(人和老鼠的基因图谱惊人地相似)。杰克逊实验室正在进行的基因探索不是寻找单个的基因,而是完整的基因网络。如果成功的话,将在了解和治疗心脏疾病和癌症等与DNA遗传基因有关的重大疾病方面取得革命性的进展。
寻找与疾病有关的单个基因的研究曾取得了一些重大的成果。其中于1989年发现的一种叫做囊肿性纤维化的外分泌腺遗传病就是一种单基因疾病。囊肿性纤维化会引起肺部炎症,症状与流感十分相似,患者一般会于35岁时死亡。与流感或者脑膜炎不同的是,囊肿性纤维化不是由病毒或者其他病原体引起的,它是一种家族性遗传疾病。
对有囊肿性纤维化疾病家庭的研究表明,引起这种疾病基因的遗传方式十分简单,与孟德尔的那个皱皮豌豆与表皮光滑豌豆的实验相似。只有当孩子从父母双方继承了有缺陷的基因后才会患上这种病。杰克逊实验室主任里克·沃切克(Rick Woychik)说,虽然许多人身上都带有这种基因突变,“但临床诊断的结果却有可能迥然不同,有的人前景不乐观,有的人却能安然无恙地活到高龄。这是为什么呢?其中一个原因与基因网络有关。”
基因并非是独立工作的,许多基因造就的蛋白质可以用来对其他基因起到“开”或“关”的作用,或者许多基因结合在一起形成了一个巨大的分子机器。还有一些蛋白质将各种信号在身体里进行传播,就像一组人在互打电话一样。基因网络极具生命力,异常活跃,即使一个基因由于变异而影响到其功能,通常不会影响到整个基因网络的正常运转。沃切克说:“参与到这个网络里的还有其他基因,当某种基因‘缺席’时,它们能够适时替补。”
正因为这样的原因,单基因疾病比较罕见,受影响的人相对也少,但许多疾病普遍都与基因网络有关,如癌症、心脏病、糖尿病、中风等,它们都不是单基因疾病。
利特尔的早期老鼠实验
一个世纪前,杰克逊实验室的创始人克拉伦斯·C·利特尔(Clarence C.Little)就开始投身遗传学的研究。他是哈佛大学的毕业生,在校时一位教授曾鼓励他研究哺乳动物,特别是老鼠,因为老鼠与人类有许多共同的特征,生长迅速,便于在实验室里培养。
1907年,利特尔光顾了当地的一家宠物店,便开始饲养起老鼠来,并对老鼠进行近交培育,即让每一代老鼠的兄弟姐妹互相配对,随着时间的推移,老鼠拥有越来越多的基因变异,或等位基因。过了大约20代,这些老鼠互相之间就像同卵双胞胎一样地相像了。
当利特尔培育了好几个纯系株品系后,他又将黄鼠与黑鼠进行了杂交,以观察出生幼鼠的颜色。他的实验表明,孟德尔发现的简单规律也适用于一些复杂的遗传模式。利特尔明白,需要好几个基因才能决定皮毛的颜色。在1916年的一次重要实验中,他将两个品系的老鼠进行了杂交(他想知道其后代对组织移植是接受还是排斥),当时他估计这一实验至少要涉及到14个基因,在一个几乎没人知道基因是什么的年代里,这是一个相当激进的观念。他的观点在当时确实惊世骇俗,但结果却证明他是对的。
获得博士学位后,利特尔曾先后担任过缅因州大学和密歇根大学的校长。后来他游说于几位汽车业大亨之间,让他们为他在巴港镇的实验室投资。以休斯敦汽车公司创始人之一罗斯科·杰克逊(Roscoe Jackson)名字命名的杰克逊实验室就是这样建立起来了,但赞助的资金不久告罄,利特尔很快又找到了办法——将老鼠出售。杰克逊实验室的近交系老鼠很快成为了许多医学实验室的抢手货,被公认为世界上最好的。这一传统一直延续至今,杰克逊实验室每年向世界各地的实验室提供250万只老鼠,是世界上最大的实验鼠供应商。
如今,杰克逊实验室的实验鼠品系占世界的四分之三。1999年杰克逊实验室主任肯·佩奇恩(Ken Paigen)对40个品系的1000只实验鼠进行了检查,确定了鼠群中500种不同的特征——从它们的白细胞数目到大脑的形态、再到对水中含盐量的喜好程度等——在许多特征上都存在着很大的差异,而这些差异都源自于它们的基因。
探索疾病与基因网络之谜
正常小鼠(右)和缺少瘦素的肥胖小鼠(左)
科学家从这些新记录下来的差异性,就能更彻底地探索导致这些复杂特征的基因网络,这就像原来是用手电筒在黑屋子里摸索,如今进入了一个灯火通明的房间里进行观察一样。如佩奇恩的妻子贝弗莉(Beverly)在过去的几年里一直在研究对“好”胆固醇(即高密度脂蛋白,HDL)产生影响的基因,某个品系的老鼠含量高,另外一个品系的老鼠含量非常低,她将这两个品系的老鼠进行了杂交,然后养育它们的幼鼠。一次,她发现了与高含量HDL或者低含量HDL有关的遗传标记,就立刻围绕该标记寻找起作用的基因。如今其他科学家已对整个老鼠基因图谱进行了排序,看来这一工作进行起来就更顺利了。
一份完整的基因列表对于绘制基因网络图是一个良好的开端,但还只是个开始。想象一下,假设你是一个外星人,仅仅通过卫星图像来理解地球人:当你注意到天上有云时,地球人会在头上张开一把伞,但云本身却不是让伞打开的直接原因,在你明白原来下雨才是打伞的原因之前,伞对你来说将一直是个谜。这也正是像贝弗莉这样的遗传学家发现了属于相同基因网络的基因时所面临的困境。一个基因也许会直接影响到某个形状,但也许是通过另外的基因间接产生影响。更令科学家感到头痛的是,这种基因也许会对两种品系产生不同的影响。除非你明白了这两种基因之间的相互作用,否则这份基因标记列表对你来说仍然是一个谜。
杰克逊实验室的统计遗传学家加里·丘吉尔(Gary Churchill)正在致力于攻克这个目标。他学过统计学,善于从看似随机无序的数据中发现规律,当确认了基因之间的某种潜在联系后,就建立起基于基因网络的数学模式,预测基因的不同组合会产生具有什么样特征的老鼠品系。如果预测的结果成立,那么他就建立起了一个成功的模式;如果不成功,他就返回重新进行微调。
最近,丘吉尔和实验室的同事决定研究控制体重的基因网络。如今世界上有3亿人患有肥胖症,肥胖已经成为全球范围内的流行病。多年来,基因学家一直在寻找决定人类发胖的基因,但一直没有成功。1990年代,杰克逊实验室培养出来的一个患有肥胖症的老鼠品系致使洛克菲勒大学的科学家发现了一种名叫瘦素(leptin)的蛋白质。他们将瘦素注入患肥胖症的老鼠体内,这些老鼠很快“减肥”成功。Amgen公司利用这个机遇,希望能开发出一种减肥药,遗憾的是,他们无法在人类身上重现这一奇迹。
丘吉尔和同事不是把目光放在单一的基因上,他们决定对控制体重的整个基因网络进行探究。他们选择了一个大而体瘦的老鼠品系,并将它和小而肥胖的老鼠品系进行杂交。它们产生的后代有着不同的个头大小和体重,研究人员测量这些老鼠能长得多大,体内脂肪重量和肌肉的比例如何,以及身上脂肪是如何分布的。就像我们人类一样,老鼠的脂肪也集中在身体的腰臂和肚腹部。最后,他们对每只老鼠进行基因组扫描,寻找遗传标记,以期从中发现哪些基因与某种特征有着最为密切的联系。
研究小组发现,在老鼠基因组里有十几个部位对老鼠体重产生影响,但是这些基因都有着不同的作用。有的使老鼠的个头长得大,有的使老鼠更容易长胖。同时他们还发现了对个头和体重有着不同作用的基因,有的基因使老鼠长得个大却体瘦,有的基因会使老鼠发胖,但对个头却没有什么影响,还有的基因决定不同部位脂肪垫的厚度。某个品系老鼠的DNA似乎使得它们在整体上发胖,而腰臂部的脂肪垫却相对较小。
像控制体重这样的基因网络也许很复杂,但却不难理解,这令丘吉尔感到欣慰:有望通过对这一基因网络的各个部分进行深入研究,以期找出肥胖症的治疗方法。杰克逊实验室对基因网络的研究虽然取得了初步的进展,但隐藏在这些实验鼠身上的奥秘还有待于进一步探索,神秘的面纱还没有被完全揭开。丘吉尔解释道,对于这样的研究,40个品系的老鼠远远不够,“如果要进行进一步的研究,还必须扩大实验鼠的规模。”
丘吉尔需要的是与一个大城市人口相当的“鼠口”,而不是仅仅与一个巴港镇人口相当的实验鼠。他已着手与其他专家联手培养新的纯系株实验鼠,每一种将有着它们独特的等位基因组合。到目前为止,这项研究计划已经开始了500个纯系株的实验鼠培养,丘吉尔期望,到2010年实验鼠可达到1000个品系。他预测,届时人类将有史以来第一次能够看到让我们获得生命、又让我们走向死亡的遗传基因网络中极其微妙的细节。