“实验小白鼠”百年百变史:从近亲繁殖到基因编辑

2020年是农历鼠年,开启了新一轮十二生肖序列。

这种小型哺乳动物,不仅在生肖中排行老大,论起在现代科学上的咖位,也是名列前茅。

都说老鼠过街,人人喊打。“硕鼠硕鼠,无食我黍”的悲凉歌声在中国回荡千年,鼠疫也在中世纪的欧洲留下了“黑死病”的阴影。那么,实验小白鼠有何特殊之处,倍受科学家青睐?

被荧光标记的实验鼠

诚然,一些品种的小白鼠非常经典,它们的“科研生涯”可追溯到数百代前的祖先,造成了大家对实验鼠的刻板印象。其实,各种毛色的老鼠都在为科学献身。

甚至,随着研究深入,科学家对实验鼠的要求走向多样化、精细化。从一开始的杂交、近交培育,到随机诱导基因突变,再到现在的精准基因编辑,百变实验鼠,为了人类的科学事业,承担了许多本不属于它们的人类疾病。

近亲“乱伦”的后代

一切开始于美国马塞诸塞州格兰比的一个农场。

20世纪初,退休教授艾比 拉斯洛浦(Abbie Lathrop)从中国、日本和欧洲的养鼠爱好者中收购不同品种的小鼠,并培育出了一些“新奇”的毛色,风靡一时。

哈佛大学生物学家威廉 卡斯尔(William Castle)也被这些“时髦”的啮齿动物吸引,他想到了孟德尔的遗传理论。

学过高中生物的读者应该还记得和孟德尔的豌豆们纠缠的日子,把或圆或皱、或黄或绿的豌豆不断杂交,依据后代的统计数字推测哪些基因是显性的,哪些是隐性的。

卡斯尔搞了一些小鼠版的孟德尔实验,奠定了在哺乳动物遗传学界的元老地位。要知道,此前鼠类只会应用在传统的解剖实验中。不过,随着和小鼠毛色有关的基因逐渐被研究透了,学界开始失去兴趣。

1909年,哈佛本科生克拉伦斯 库克 利特尔(C.C. Little)再次掀起波澜。为了在小鼠身上移植并研究肿瘤,他决心得到更为同质的小鼠品种。

在这里,要介绍一个叫“近亲系”的概念。如果你要研究某一种因素(如药物、饲料、环境)等对小鼠的影响,肯定要尽量控制小鼠的其他背景保持一致。

孟德尔研究的豌豆是一种自花传粉的植物,可以理解为自己和自己交配,在自然界得到的后代均为纯种,外表和基因完全对应,因此研究起遗传性状尤其便利。

但小鼠可不是。为了尽量得到遗传背景相似的小鼠,必须要在近亲之间不断繁殖,经过几代后越来越“纯”。

这样强制小鼠在兄弟姐妹间“乱伦”的行为招致了伦理争议,此外,包括卡斯尔在内的一些生物学家认为近亲繁衍的后代不够健康,科研价值也下降了。

无论如何,利特尔还是利用20代的近亲繁衍得到了一种名为DBA的近亲系,毛色为隐性的淡棕色。

DBA小鼠

很多人认为,这就是第一代现代意义上的实验小鼠。

走向诺贝尔奖

“近亲系”实验小鼠很快流行起来,有些繁衍到近日已经成为主流品系,比如著名的C57BL/6。作为全世界第一个完成基因组测序的小鼠品系,这种黑色小动物可以为许多突变基因提供遗传背景。

一只C57BL/6雌性小鼠

另一种也很常见的BALB/c则符合我们对实验小白鼠的所有想象:白色的毛发、红色的眼睛、圆润的身躯。

1912年,美国纽约纪念医院的哈希 巴格(Halsey J.Bagg)从俄亥俄州一鼠贩处购得一批野生的白化小鼠。BALB这个名字即Bagg与Albino(白化)两个词合成。

它们代代近亲繁衍,历经不少生物学家之手,其中就包括利特尔。1935年,BALB小鼠传到了美国遗传学家乔治 斯奈尔(George Snell)那里,后者把它们带到了位于缅因州的杰克逊实验室。

斯奈尔延续了利特尔关于小鼠肿瘤移植的研究,想知道为什么生物有时候会接受移植物,有时候又排斥。他利用两个近交系,反复回交(亲本与后代交配),每次都筛选表现出与亲本不同形状的后代,得到了只在一个位点上杂合的同源株。最终,斯奈尔找到了调节细胞表面免疫反应的相关基因,并以此获得了1980年的诺贝尔奖。

BALB/c小鼠

这是实验小鼠自DBA品系诞生后的又一高光时刻。培育到这一代,生物学家发现近亲系小鼠已经适用于各种各样的生物学实验,富有无限可能。

而杰克逊实验室也发生了传奇的演变。由于股市崩盘,缺乏资金的杰克逊实验室为了撑过大萧条时期,从一家研究机构变成了卖老鼠专门店,为研究者生产特需的实验鼠。

到了今天,每年都有300多万只小鼠从杰克逊实验室送往世界各地的研究机构,担当着现代癌症研究的主力。

大自然的惊喜

冷战时期,在核战阴影下,美国能源部开始研究低剂量核辐射对哺乳动物基因组的影响。

有了这个契机,人类对小鼠基因组的了解进一大步。后来,科学家们发现化学试剂能更有效地诱发小鼠基因突变,每年都能产生数千种新的突变类型。

不过,相比起人造随机突变,有时当“大自然的搬运工”反而收获更大的惊喜。

1962年,病毒流行病学家诺曼 格里斯特(Norman Grist)在格拉斯哥鲁希尔医院的病毒实验室里偶遇一只天然无毛的“裸鼠”,送到爱丁堡的动物遗传学研究所进行基因分析。

无胸腺裸鼠

寻找到致“秃”的基因后,研究人员还发现裸鼠没有胸腺,也没有T细胞或B细胞,可以说免疫防线天然有个大漏洞。这对小鼠本身来说自然是大不幸,但对异体移植来说却再好不过——不设防意味着不排斥。

不久后,它被移植进了人类肿瘤,使得科学家首次在非人类统中研究人类肿瘤和组织。

另一种常见的免疫缺陷SCID小鼠发现于1983年的美国费城福克斯詹士癌症中心。梅尔文 博斯玛(Melvin Bosma)当时正根据免疫球蛋白的变异性对小鼠血清分类,但却找不到和一只小鼠符合的同种抗免疫球蛋白。他随后意识到,这只小鼠没有免疫球蛋白。

一只SCID白化小鼠

插图:一只SCID白化小鼠

SCID小鼠们后来在癌症和免疫学研究方面身先士卒,科学家尤其期望能在它们身上寻找攻破艾滋病的方法。

定制小鼠

不论是诱导突变,还是当大自然的搬运工,还是离不开“随机”二字。贪心的科学家们,想要更为得心应手的工具:为特定医学问题量身定制的实验鼠。

1981年,剑桥大学遗传学家马丁 埃文斯(Martin Evans)等创造了第一个小鼠多能干细胞系,为转基因小鼠做好铺垫。美国犹他大学分子生物学家马里奥 卡佩奇(Mario Capecchi)和奥利弗 史密斯(Oliver Smithies)在此基础上制出第一批基因敲除小鼠,和埃文斯共享2001年拉斯克生物医学研究奖。

敲除基因后的过胖小鼠

再后来,就是基因魔剪CRISPR-Cas9横空出世,指哪打哪。

2013年,31岁的美国麻省理工学院教授张锋在《科学》上发表论文,宣布用CRISPR-Cas9系统首次实现对小鼠基因的编辑,并确认它能在几周内建立起小鼠的疾病模型。

癌症、艾滋病、镰刀状红细胞贫血症……,经典的人类疾病通过改写基因在小鼠身上重现,经受各类药物和技术的检验。

可以说,小鼠之所以能从斑马鱼、绵羊、猕猴等动物中脱颖而出,成为最流行的实验对象,绝不仅是因为它的基因组和人类一样拥有约2-3万个基因,相似度超过90%(毕竟,人和香蕉基因组的相似性都达到50%),也不只是因为它们繁殖快,个体小,易于饲养培育。

更重要的是,在过去百年中,它们的祖祖辈辈都献身科学,堪称“满门忠烈”,使得人类积累了对它们基因信息的理解,再难割舍。