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吃货的生物学修养:魔法王子和瘦素蛋白

2017年11月28日 07:29   来源:经济日报-中国经济网   

  彼时分子生物学研究正如火如荼,科学家们自然地想到:只要能够找到肥鼠体内哪个基因产生了缺陷,就能够按图索骥地找到编码这种神奇食欲抑制因子的基因,进而得到我们梦寐以求的这种“苗条”因子。

  问题是,当时人们猜测,小老鼠身体里大约有30000 到50000 个基因,而能把“苗条”基因与其他几万个基因伙伴们区分开的,只有一个特点——缺乏了苗条基因会让肥鼠发胖。关于这个“苗条”因子的别的东西我们一无所知。那怎么从30000 个基因里,准确找到那个编码食欲抑制因子的基因呢?

  这个问题的难度,就像告诉你全城有30000 个幼儿园年龄的小朋友,你必须去找到其中一个。但是你不知道他的相貌、姓名、种族,唯一知道的是,他有一种神奇的魔法,能让所有的小朋友都幸福快乐。如果把“魔法王子”带离这个城市,全城的小朋友们都会觉得不开心。这样的任务听起来近乎不可能。更要命的是,在弗里德曼设立宏伟目标的那个年代,没有汽车,没有手机,没有各种各样出现在《007》或者《谍中谍》里的神奇装备。他只能靠最原始的方法去寻找这个魔法小王子。

  第一个可能的思路是,一个一个地把小朋友逐个带出城,然后派人手盯住剩下的小朋友,看看带出去哪一个的时候,全城剩下的小朋友们都面带愁容。思路没有问题,但是没有技术层面上的可行性。在那个年代,遗传学家们没有能力定点和精确地操纵单个基因,他们能做到的最多是随机地把小鼠三万多个基因一个一个破坏掉。换句话说,他们必须蒙着眼睛抓小朋友,而且还永远不能摘下眼罩来。这样即便抓到了正确的魔法王子,我们还是不知道他的名字和相貌。

  那么换个思路。虽然我们不知道魔法王子的姓名、相貌,但是我们可以这样来推测,小朋友们应该有他们喜欢的玩伴。那么我们如果知道魔法王子喜欢和谁在一起做游戏,我们是不是就可以顺藤摸瓜找到他了?听起来也靠谱!这个方法,遗传学上叫作“连锁分析”。

  简单说一说这种办法吧。我们都知道,每个人身体里的基因都有两个拷贝,一半来自父亲,一半来自母亲。来自父亲的基因都在长长的“父亲DNA”上,来自母亲的基因当然就在“母亲DNA”上。然而从一个受精卵开始的每一次细胞分裂,直至形成人体,父亲和母亲DNA 会相互缠绕在一起,发生一种叫作“重组”的事情。其结果就是在每次细胞分裂的时候,部分父亲DNA 上的基因都会被换到母亲DNA 上(反之亦然),因而两条父亲母亲DNA 就变得没有那么泾渭分明了。有趣的是,如果DNA 链条上两个基因之间的距离很短,那么两者发生交换的概率就会变得非常低,这种现象被叫作“连锁”。所以,如果我们能够在长长的DNA 链条上首先定位许多分子“路标”(图1-6),然后找到编码食欲抑制因子的基因和哪些“路标”紧密连锁,我们就可以根据分子路标的位置逐渐逼近这个基因的准确位置。从这个技术可能需要在成千上万的老鼠后代中分析“连锁”发生的频率,再根据连锁频率的高低判断其位置。

  现在,我们打算根据玩伴“连锁”原理寻找魔法小朋友了。但是幼儿园的小朋友们其实也是很有原则的,他们每天只和一个小朋友玩,只是不同日子里才会更换玩伴,而魔法王子也不是忠贞不渝地每天只和他的几个好朋友在一起,只不过一年到头里他和好朋友玩的日子相对会更多一些而已。所以,唯一的办法,是忠实记录每天全城小朋友们玩耍的情况,然后分析到底哪个小朋友和哪个小朋友之间关系好,谁和谁之间又不太喜欢一起唱歌跳舞,等等。

  听起来好像虽然枯燥,但是也不是很难?但是,我们漏掉了一个至关重要的信息:我们还没问魔法王子喜欢的玩伴有什么特征呢?没有这个信息即便我们分析了所有几万个小朋友怎么交朋友,也还是不知道谁是真正的魔法王子啊。

  弗里德曼就遇到了一样的问题。在那个时代,我们对小鼠基因的了解还相当粗浅,老鼠父亲母亲DNA 上已知的分子“路标”还非常稀疏。即便利用连锁分析把编码食欲抑制因子的基因定位在两个现有的分子“路标”之间,这中间的距离足够让成百上千的基因藏身了。这不行,所以弗里德曼不得不倒退一步,首先在小鼠DNA 上找到足够多的分子“路标”。这是一项烦琐无聊的工作,同样也需要在成百上千的小鼠后代里找到这些分子“路标”之间的连锁关系以确定其彼此的物理距离(顺便说一句,得到的分子路标的地图,生物学家们叫作物理图谱。就像为了准确描述魔法小朋友的玩伴,我们需要首先带着放大镜去观察、分析和总结全城小朋友们的特点:他们的衣服颜色有几种;他们有多大比例戴眼镜;他们梳马尾辫还是剪童花头等。

  在几年的准备工作之后,弗里德曼终于可以利用自己绘制的精确物理图谱,定位那个深藏不露的食欲抑制因子了。我们寻找魔法王子的工作也到了最关键的时刻:我们已经知道了魔法王子最喜欢一个叫“丫丫”的小女孩,这个小女孩有张小小的脸蛋,一双大大的眼睛,喜欢唱歌,也喜欢甜甜地说“我喜欢你”,我们终于可以出发,到城市里去找丫丫,然后从特别喜欢和丫丫做游戏的小朋友里面找到我们的魔法王子了。

  又是几百个日日夜夜,弗里德曼和他的同事们在黑暗中慢慢前行。他们知道,尽管还伸手不见五指,但是他们确实离那个目标越来越近了。1994 年5 月8 日那个周日的凌晨,谜底揭晓。


(责任编辑 :欧云海)

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