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脂肪克星?講講“瘦素”的發現史

白色的脂肪組織為我們的身體儲存了大量的能量,而過剩的脂肪存儲不光影響我們的體型,還會導致各種讓人煩惱的疾病。在這一層人們對脂肪的刻板認知之下,我們身體裡的脂肪還有別的什麽用處麽?

為了好好回答這個問題,就讓時光倒轉半個世紀,聊聊當年的兩隻胖老鼠。

那是20世紀60年代的故事了。

讓我們的目光回轉到1969年夏天,美國緬因州的巴爾港。只有幾千常住居民的巴爾港是聞名世界的度假勝地。每到夏季,遊輪載著歐洲各地的遊客候鳥一樣前來,點綴著白浪點點的大西洋。沙灘上滿是騎著公路自行車,準備去釣龍蝦或是看海豹的旅行者。

而在傑克森實驗室的研究大樓中,一間陰暗悶熱的實驗室裡,一個穿著白大褂的中年人正忙著擺弄手裡兩隻胖乎乎的小黑老鼠。

他叫道格拉斯·科曼(Douglas Coleman),加拿大電氣修理工的兒子。

1958年,科曼從美國威斯康星大學拿到生物化學專業的博士學位,很快在傑克森實驗室找到了一份臨時性的研究工作。本計劃在巴爾港待上兩三年就返回加拿大謀職的科曼愛上了這塊地方。他把一生的科學事業都留在了這裡,還在這裡待到退休和去世。

傑克森實驗室以龐大的小鼠遺傳資源聞名於世。從1929年建立時開始,傑克森實驗室就致力於發展標準化的小鼠品系和突變體,並依靠向全世界科學家銷售他們自己培育的各種奇奇怪怪的小鼠獲得收入。在科曼入職工作前後,傑克森實驗室的科學家們(科曼本人也參與其中)偶然間發現了兩種體型異常肥碩的黑色小老鼠,並給它們起名字叫ob(是肥胖的英文單詞obesity的縮寫,下文簡稱“肥鼠”)和db(是糖尿病英文單詞diabetes的縮寫,下文簡稱“糖鼠”)。兩種小鼠的體重可以長到普通老鼠的3倍大,長著尺寸驚人的贅肉,並且像人類肥胖症患者一樣會出現各種各樣的健康問題。

傑克森實驗室的科學家們已經通過反覆的雜交實驗,確認了肥鼠和糖鼠的肥胖症狀是由兩個不同的基因突變導致的。兩種肥胖小鼠背後的罪魁禍首分別定位在小鼠的第6號和第4號染色體上。之後,就像傑克森實驗室曾經培育出的大量小鼠品系那樣,肥鼠和糖鼠就被細心地培育並面向全世界同行出售。但老實說,似乎沒有多少科學同行對它們產生過興趣,更沒有多少人覺得這兩種胖老鼠能幫助人們理解人類的脂肪,理解人類肥胖症。

我們視野裡的他,正在做一個叫作“連體老鼠”的實驗。簡單來說,就是通過外科手術,把兩隻小老鼠從肩膀到盆腔之間的皮膚連在一起,將兩者的血液循環聯通,人為製造出類似於人類連體嬰兒的現象來。做完手術的老鼠看起來像圖中一樣。

連體老鼠實驗

這種看起來有點血腥殘忍的實驗,科學史上可謂功勳彪炳。儘管科曼先生肯定不會是個激進的動物福利主義者,但顯然他也沒有無聊折騰小動物的閑情逸致。

他的連體動物實驗是為了回答一個縈繞在他腦海裡的問題:肥鼠和糖鼠之所以肥胖,是不是因為它們的血液裡缺了某種抑製肥胖的物質?這種未知物質也許可以抑製食欲,所以缺了它之後,糖鼠和肥鼠就會拚命進食;這種物質當然也許加速了能量消耗,所以缺了它之後,糖鼠和肥鼠就會整日懶洋洋躺著養膘。不過無論如何,如果這個物質真的存在,那麽把一隻正常小鼠的血液連進來(當然隨之而來的還有正常小鼠血液裡那種未知的減肥物質),是不是就可以為肥鼠或者糖鼠減肥了?

手術看起來成功了,科曼站起身來長舒了一口氣,摘下手套擦擦額頭的汗水。接下來就看小老鼠們術後恢復的情況了。

但接下來的幾個月,兩隻老鼠的表現開始沒完沒了地折磨科曼先生。手術做得越來越乾淨漂亮。術後恢復期的糖鼠看起來也別無異狀,還是沒完沒了地找吃的。可是相連的那隻正常老鼠卻似乎從來都不可能從手術中恢復。它一直病怏怏的,食欲也非常差。儘管科曼悉心照料,連體的正常老鼠還是接二連三地在術後一兩個月的時間餓死,死的時候骨瘦如柴,慘不忍睹。

換句話說,實驗的結果和科曼最初的設想完全相反。糖鼠沒有減肥,反而是正常小鼠死掉了。這到底是為什麽?

直到這年冬天的某一刻,奇思妙想開始光顧他了。他開始有足夠的信心認定自己的手術本身絕對不會出什麽問題,那麽他看到的現象,不管再離奇,也必須有一個合理的生物學解釋。

自己原先的設想是,糖鼠因為缺了一種未知的減肥物質而發胖,一旦它從正常小鼠那裡獲得這種物質,就應該能夠減肥才對。而他看到的現象和自己的設想完全相反,糖鼠沒有減肥,反倒是正常老鼠給餓死了!那麽會不會自己的設想從根兒上就錯了?反倒是糖鼠體內多了一種食欲抑製因子?這樣想,倒是可以解釋為什麽連體的正常老鼠餓死了:因為通過手術,它一下子從連體的糖鼠獲得了太多的食欲抑製因子!

但好像還是不對……如果真的如此的話,糖鼠因為帶有大量的食欲抑製因子,不光不該胖,還該骨瘦如柴才對啊。除非……除非糖鼠失去了感知和響應這種食欲抑製因子的能力!如果這樣的話,再多的食欲抑製因子,也改變不了糖鼠的好胃口。而且事實上,基於在生物學中很常見的補償機制,糖鼠缺乏了這種感知能力,反而會讓身體源源不斷地製造出更多的這種食欲抑製因子。這種機制在我們的故事裡還會反覆地出現,說起來,有點像聽力不好的人會習慣性地大嗓門說話,也像丟三落四的學生上考場經常會半強迫地多帶幾支筆。

好了,思維體操結束。科曼提出了一個新的、看起來很不錯的假設:動物的血液裡存在一種能夠有效抑製食欲的因子。糖鼠缺乏感知這種物質的能力,從而導致暴飲暴食和嚴重肥胖。而這種物質一旦大量進入正常老鼠體內,就會嚴重影響食欲,甚至讓老鼠活活餓死。同時,科曼還猜測,也許我們提到過的下丘腦正是負責感知和響應這種物質的。這也許就可以解釋,為什麽切除下丘腦會帶來暴飲暴食的症狀。

但糖鼠為什麽胖,又是怎麽胖的,和我們人類有什麽關係嗎?

這時候我們就需要稍微掉轉一下思維方向了。

科曼的假說反過來理解,意味著正常老鼠體內應該存在一種物質,能夠抑製食欲,從而將老鼠的能量攝入和脂肪儲存控制在一個合理的範圍內。鑒於小老鼠和人類在諸多方面的相似性,這個假說“稍微”推廣一下,就指向了一個每個人可能都會關心的問題:我們人體內是否存在這種抑製食欲、維持體型的物質?它是什麽?把它做成藥片,能夠幫助我們更好地維持身體的形態和健康嗎?

帶著可能發現新世界的激動心情,科曼又開始繼續他的連體老鼠實驗。

折磨完了糖鼠之後,他立刻開始用肥胖程度不遑多讓的肥鼠來做連體實驗。科曼開始的想法是,既然這兩種胖老鼠看起來如此相像,肥鼠和正常老鼠的連體實驗可能也會得到類似於糖鼠—正常老鼠連體的結果吧?換句話說,肥鼠大概也應該一切如常,正常老鼠則會饑餓而死?

實驗結果讓科曼的眼鏡碎了一地(沒錯,科曼確實戴眼鏡)。

劇情又一次反轉了,肥鼠和正常老鼠連體之後的反應和之前完全相反!這次是正常老鼠一切如常,反而是肥鼠慢慢地開始減肥瘦身了。它的食欲逐漸下降,甚至降低到正常老鼠的水準;像高血糖、高脂肪等惱人的問題也似乎在慢慢消失。

反了,完全反了——

糖鼠和肥鼠都很胖,而且胖的程度相差無幾;

在第一個實驗裡,糖鼠—正常老鼠連體,正常老鼠食欲下降乃至餓死,糖鼠肥胖依舊;

在第二個實驗裡,肥鼠—正常老鼠連體,正常老鼠卻一切正常,反而是肥鼠開始發奮減肥,向正常體態靠攏。

這到底是什麽意思啊?科曼一次又一次地追問自己。

還在找眼鏡或者抓腦袋的科曼也許沒有意識到,命運之神在對他微笑了。如果說糖鼠—正常老鼠的連體實驗,以及科曼的第一個假說是順理成章的科學發現,那麽肥鼠—正常老鼠連體給出的相反結果,則是上天賜給科曼先生的一個揭示脂肪奧秘的絕佳機會。

老實說,透過科曼先生的文筆和公開演講來看,他可能談不上是一個天才——至少不是一般人認為的那種科學怪才或者電腦奇才的形象。在20世紀60—70年代的天才發現之後,科曼似乎再也沒有做出過什麽別的驚天動地的科學發現,只是在傑克森實驗室老老實實繼續著自己的科學職業。然而我必須得說,那種大眾心目中驚才絕豔的天才形象往往並不真實,很可能不過是來自媒體和公眾自身對天才的無端想象。所謂天才,在我看來,無非是那些在科學史上的某個瞬間,產生過天外飛仙般的奇思妙想的普通人而已。

在完成了這一系列美妙的實驗之後,科曼用了十幾年時間,徒勞地利用各種生物化學的方法試圖發現這種假想中的食欲抑製因子是什麽,但是從未獲得成功。

1993年,62歲的科曼先生從傑克森實驗室退休,直到這時我們都還不知道科曼先生所猜測的食欲抑製因子是否真的存在,以及它到底是什麽。儘管科學界裡漸漸已經有更多的聲音接受和支持科曼先生的假說,但是直到這個時候,科曼的發現還沒有得到過任何值得一提的科學獎勵。

不過我們不得不說,命運還是很厚待科曼先生。

1994年,科曼退休僅僅一年之後,美國洛克菲勒大學的傑弗瑞·弗裡德曼(Jeffery Friedman)和他的同事們利用現代遺傳學手段,在艱苦漫長的八年探索後找到了科曼先生預言的那種能夠抑製食欲和控制體型的蛋白質因子,並命名為“瘦素”(leptin一詞源於希臘語“瘦”)。正如科曼所預測的那樣,肥鼠的瘦素基因存在遺傳突變,失去了生產瘦素、從而控制自身食欲和體重的能力。瘦素蛋白也正如科曼先生的連體實驗所暗示的,可以在血液中流動並深入大腦,從而影響小鼠的胃口。

科曼關於糖鼠的假說也得到了完美的證實和解釋。千禧年製藥公司(Millennium Pharmaceuticals)的科學家利用表達性克隆的技術找到了瘦素的受體分子,也就是感知瘦素的蛋白質分子。弗裡德曼實驗室隨後證明,在糖鼠體內,瘦素受體基因存在遺傳突變而喪失功能,因而失去了感知和響應瘦素的能力。甚至,就像科曼曾經猜測過的那樣,瘦素受體蛋白確實高度集中在動物的下丘腦區域!

科曼先生於2014年4月因惡性皮膚癌去世,享年82歲。在瘦素分子被發現後,科曼譽享全球,成為活著的傳奇。有人遺憾科曼如果能再長壽幾年,將幾乎肯定會拿到諾貝爾獎。

不過我想,科曼先生一定不在乎這點小小的遺憾。因為,當他把兩隻胖老鼠用手術連在一起,並預測一種食欲抑製因子存在的時候,他已經得到了人世間最高的獎賞。就像一個在沙灘拾貝、無意間看到無垠大海的小男孩,那一瞬間的驚喜和快樂,非塵世任何獎賞可及。

《吃貨的生物學修養:脂肪、糖和代謝病的科學傳奇》

作者:王立銘

清華大學出版社出版

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