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举个栗子:肥胖也由基因决定吗?

日报 举个栗子 3年前 (2017-11-14) 487次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:肥胖也由基因决定吗?

“天使的面孔,魔鬼的身材”,是花花公子速成指南中被推荐的赞语,不过千万不要记反了。虽然历史上有少数时期,推崇以胖为美,譬如唐朝和鲁本斯时期的绘画,不过多数时候似乎还是“楚王爱细腰,宫女多饿死”。虽然多数文化中均以瘦为美,但随着人类文明的进展,肥胖却大有一统天下的发展趋势。2005 年,世界卫生组织忧心忡忡的估计,全世界肥胖的人约有 10 亿之巨,并且在 20 年内,这个数据就可能翻番。而我国迅猛发展的经济似乎也带动着肥胖一起快速攀升,去年的统计数据估计我国有 9000 万人肥胖,如果经济持续快速增长,那我国将比世界卫生组织预计的提前 10 年,即 2015 年左右完成“翻番任务”。

世界卫生组织之所以关心肥胖,是因为它已经成为一个巨大的社会健康问题,肥胖和一系列的医学问题关系密切,如高血压、心脏病、糖尿病以及某些癌症。在美国乃至其他西方强国,肥胖所引发的问题,大有成为社会中难以承受之重的趋势。

伴随着肥胖逐渐成为一种社会性疾病,对肥胖的研究目前是一个异常热门和活跃的研究领域,几乎每个月都有大大小小的科学新闻。有关肥胖的科学研究是在五十多年前悄然开始的,若干有名、无名的科学家为此付出了极大的心血,奠定了今日肥胖研究的根基。回顾那段研究历史中的人和事,可以让我们对肥胖和科学都获得更加深刻的认识。

体重有个恒定点

五十多年前,研究肥胖的科学家很少,多数人认为脂肪组织似乎仅仅是一个储存脂肪的仓库,没有什么重要功能,同时脂肪细胞的分离培养都非常麻烦,而肥胖也还只属于个人问题。但洛克菲勒大学的朱尔斯?赫希教授对脂肪却情有独钟,如今的脂肪生理学基础主要由他的研究小组完成。他完成了两项困难任务,即估算动物体内脂肪细胞数量的方法,并革新了测定人体每日基础能量消耗的方法。

利用脂肪细胞计数,赫希发现个体间的脂肪细胞数量大有差别。譬如,肥胖症患者体内的脂肪细胞数量可以比普通人多 10 倍,达到足以让人震撼的 2500 亿,并且脂肪细胞的体积也要大 4 倍。同时赫希利用小鼠,发现脂肪细胞的数量主要与幼年时的营养摄入状况有关,而人类与小鼠相似,脂肪细胞数量的增长也主要发生在幼年和童年时期,随着年龄的增长,速度很快下降。但在青春期会有一个反弹,至成年时停止。因此,幼儿和儿童主要通过增加脂肪细胞的数量,来达成体脂含量的增长,而成年人则优先增大脂肪细胞的体积,来容纳涌入身体的油脂,直到难以为继时,才会有新的脂肪细胞生成。

差不多同时,肯尼在 1953 年,提出脂肪含量稳恒这个匪夷所思的假说(目前多称为体重调定点假说),他认为成年人体重的大致恒定依赖于脂肪组织分泌的某种因子,在机体脂肪储存过量时通过该因子刺激下丘脑的饱食中枢,可以达到抑制食欲并加强能量消耗的目的。

1958 年,英国剑桥大学的赫维利用联体大鼠这一巧妙的实验设计,发现血液中确实有某种未知激素,通过饱食中枢进行体重控制。他将两只大鼠的动静脉作一定程度的吻合,通过血液的交叉循环,让两只大鼠可以共享血液中的激素,创建了后来在肥胖研究中很有用的联体技术。实验发现,当损伤其中一只大鼠下丘脑的饱食中枢后,该大鼠开始明显多食并逐渐肥胖,而正常大鼠则受到血液中未知激素浓度逐渐升高的影响,其摄食戏剧性的开始减少并同时伴随有体重的下降,直至饿死。

赫希研究小组的利贝尔,则证实了该假说有关能量消耗的部分。利贝尔利用新的能量消耗测量技术,发现体重相同的人,因其达到目标体重的原因不同,其每日的基础能量消耗也大不相同。其顺序为,通过减肥达到目标体重者,基础能量消耗最低,其次为自然体重者,最后是体重增加者,具有最高的基础代谢。这个发现,解释了体重反弹的主要原因——身体总是希望回到它自己的平衡点。毫无疑问,对很多人而言,这个体重的恒定点是偏高了。虽然我们知道这个恒定点一生都在变动,但目前我们并不十分清楚,通过哪些因素可以使该点上调和下调,但儿童时期的营养状况和体育锻炼这两者,无疑对其有很大的影响。

发现一只大胖鼠

当赫希和利贝尔致力于研究脂肪生理学时。1950 年,模式动物小鼠的圣地,杰克逊实验室的动物饲养员,发现一只体型硕大的小鼠,安静的呆在饲养房的某个角落里。起初研究人员以为它怀孕了,但预料中的分娩却迟迟未到,仔细检查后才发现那是只公鼠!这只小鼠的食欲亢进,但不吃东西时则安静不动,其体重为正常小鼠的 3 倍,并有糖尿病症状,于是该小鼠被命名为肥胖鼠(Obese mouse),简称 ob 小鼠。ob 小鼠的肥胖是可遗传的,表现为隐性遗传模式,经遗传学方法测试,证实其为一个单基因隐性突变所致,这是第一次确认肥胖可以因单个基因缺陷而发生,按惯例该基因就称为肥胖基因(Obese Gene,Ob)。然而不幸的是,这种惯例命名法很容易引起误会。因为,拥有肥胖基因正是不肥胖的原因,反之才会引起像 ob 小鼠那样的遗传性肥胖。由于多数基因在正常状态时,很难知道它们的具体功能,只有当它缺失或者失活后,引起机体的某种病态表现才能被觉察,因此相关的基因用它丧失时引起的疾病或现象来命名,已经成为传统。

很长一段时间内,针对 ob 小鼠的研究并不多,因为其纯合体的雌性后代通常不育,导致其育种困难,并且社会对肥胖研究暂时没有太大的兴趣。直到 1966 年,情况开始发生转变。杰克逊实验室的生化学家道格拉斯?科尔曼及同事又发现了另外一种肥胖鼠,其肥胖程度仅略低于原来的 ob 小鼠,但糖尿病症状更加典型,而且对胰岛素无反应。因此,他们给这种老鼠取名为糖尿病鼠(diabetic mouse),简称为 db 小鼠。db 小鼠引起了研究人员的很大兴趣,因为自班廷发现胰岛素以来,医学界开始认识到并非所有的糖尿病都起因于胰岛素的缺乏,糖尿病也因此被进一步细分,非胰岛素缺乏引起的则称为 II 型糖尿病。而随着肥胖的流行,II 型糖尿病患者的数量开始稳步增长,可医学界却束手无策,不明了其发生的机制。现在 db 小鼠的症状与 II 型糖尿病患者如此相似,简直是研究 II 型糖尿病的天赐礼物。

科尔曼借鉴赫维的联体实验思路,利用手术将两只小鼠从腹侧面进行联体,在 1973 年,通过精巧的三组实验,科尔曼发现 ob 与 db 小鼠虽然表现相似,但发病原因大不相同。首先,正常小鼠与 ob 小鼠联体后,正常小鼠的食欲无大改变,而 ob 小鼠的食欲则明显下降,体重也随之下降到正常;但将正常小鼠或 ob 小鼠与 db 小鼠联体后,其食欲却会直线下降,直至几乎不进食的程度。若不进行人工干预,最终可导致正常小鼠或 ob 小鼠饥饿而死,而 db 小鼠则没有明显改变。科尔曼据此推测,小鼠体内应该存在一种神秘的食欲抑制因子(钥匙)以及识别该因子的受体(锁),钥匙开锁后将引起食欲抑制这个生物学效应。ob 小鼠缺乏开锁的钥匙,而 db 小鼠的钥匙很多但锁坏掉了。当 ob 小鼠获得钥匙后,食欲下降,若从 db 小鼠获得过多的钥匙打开了太多的锁后,甚至会把自己饿死。这个实验结果,为肥胖研究深入到分子层次指出了一条重要道路。后来科尔曼一直致力于寻找 ob 基因,但直到他 1991 年退休,也未成功将其捕获。

举个栗子:肥胖也由基因决定吗?

找到开锁的钥匙

1979 年,后来成功克隆到 ob 基因的弗里德曼刚刚完成住院医生培训,但他由于某个意外在申请专科医生培训时迟了一步,因此必须等待一年,他的老师便介绍他到洛克菲勒大学先接受一年的科学研究培训。就是在这里,弗里德曼开始对肥胖发生了兴趣。那时,科学界一度认为,1928 年艾维和奥尔德伯格在小肠黏膜提取液中所发现的胆囊收缩素(CCK),可能就是 ob 小鼠所缺乏的钥匙,因为 CCK 对食欲确有一定的抑制作用。在洛克菲勒,弗里德曼参与了 CCK 基因的克隆研究。一年后,他决定放弃专科医生培训而专心研究 ob 基因的克隆问题,但他没有分子生物学的背景,实验室都不愿意接受他成为正式成员。于是,弗里德曼索性申请攻读著名分子生物学家詹姆斯?达内尔的博士。1985 年他毕业前,就利用学到的新技术,为成功克隆到 CCK 基因做出了贡献。然而 CCK 基因的位置,与经典遗传学所分析的 ob 基因,不在同一条染色体上,因此可以确定 ob 小鼠的肥胖与 CCK 无关。

赫希和利贝尔当然认识到 ob 小鼠的巨大价值,但利贝尔缺乏分子生物学研究的基础。1986 年,他和刚刚取得博士学位的弗里德曼一拍即合(弗里德曼的说法则是他主动去找利贝尔合作),决定合作克隆 ob 基因。然而奋斗了一年,他们毫无进展,为此利贝尔将实验室的一位研究生内森?巴哈里送到英国学习最新的染色体微切割法。除了 ob 小鼠和 db 小鼠以外,1990 年,弗里德曼还发现了其他 3 个单基因突变致肥胖的小鼠品系,分别命名为 fat、tubby 和 obese yellow。但 ob 小鼠始终是研究的核心,在巴哈里的协助下,1992 年,他们终于将 ob 基因定位在了 6 号染色体的两个遗传标记之间,但这两个遗传标记之间含有约 220 万个碱基,要在其中找到 ob 基因并非易事。

这时候,复旦大学毕业,在纽约大学获得博士学位的张一影来到了弗里德曼的实验室。张一影利用两项新技术,逐步缩小 ob 基因的存在范围,从 200 个基因到 4 个基因,最终在 1994 年 5 月,成功克隆到长约 4.5kb 的 ob 基因。此后进行了相应的基因测序,以及蛋白质的序列预测,此项成果发表在 1994 年 12 月 1 号出版的《自然》杂志上,张一影是第一作者,但弗里德曼却是该文的惟一通讯作者,没有利贝尔和巴哈里。

弗里德曼当然认为 ob 基因可以和班廷的胰岛素相媲美,他放弃医学读博的主要目的,很大程度上就是为了克隆 ob 基因。因此,为了保护自己的利益,他于 1992 年,ob 基因刚露曙光的时候,就终止了与利贝尔的合作,避免利贝尔在肥胖研究上的资深地位掩盖了自己的功劳。而利贝尔为了避免发生令人难堪的冲突,接受了终止合作的提议,不再过问 ob 基因的克隆,但仍与弗里德曼和他的成员保持联系。另外在 ob 基因克隆后,弗里德曼执意将巴哈里的实验方法提前发表,这样在最重要的 ob 基因论文中,弗里德曼如愿成为惟一的通讯作者,相关专利他也于文章出版前一日送交审查。

在 1995 年的一次国际会议上,弗里德曼遇见从 30 万头羊的下丘脑纯化出促性腺激素释放激素而获诺贝尔奖的罗杰?吉耶曼,他向弗里德曼建议,ob 基因应该改名为 lepto,即希腊文中的“瘦”。弗里德曼部分采纳了这个建议,把 ob 基因的产物命名为 leptin(瘦素)。瘦素由 176 个氨基酸组成,难以人工合成,也难以从组织中分离纯化。要研究它的功能,在从前是不可能完成的,但到 1995 年,基因工程技术已经相当成熟,因此可以利用大肠杆菌来表达这个蛋白,然后分离纯化,这个工作不难。可是弗里德曼没有让张一影来做这件事,而是与洛克菲勒大学的另外一个研究人员合作完成。借助大肠杆菌获得的瘦素,弗里德曼完美地重现了科尔曼当年的实验结果。注射瘦素后,ob 小鼠体重开始直线下降,而 db 小鼠则没有任何变化,到此可以说确认了 ob 小鼠肥胖的原因。这项进展,于 1995 年 5 月发表在《科学》杂志上。在不到一年时间里,发表两篇顶级期刊论文,迅速给弗里德曼带来了声誉,他也于当年成为洛克菲勒大学的终身教授,而 ob 基因的专利也以两千万美金的转让费出售给美国最大的生物制药公司——安进(Amgen)公司。

前进之路仍漫漫

在研究瘦素生物功能的同时,弗里德曼也加紧了对瘦素受体的鉴定工作,但张一影仍然没有参与这项工作,不过这次他的实验室比千年制药公司(Millennium Pharmaceutical)晚了一个半月。与科尔曼此前的猜测一致,db 小鼠就是由于相应受体有障碍,从而导致瘦素无法发挥作用。该受体定位于下丘脑的腹侧核区,与赫维所确定的饱食中枢位置相符。在科学史上,像弗里德曼这样善于保护自己利益的科学家并不多见,后来利贝尔离开洛克菲勒大学,去了哥伦比亚大学医学院,张一影也跟随利贝尔离开。

可惜,弗里德曼没有班廷那么好运,虽然一期临床研究发现,似乎瘦素对某些肥胖症患者有用,但二期扩大的临床实践证明,瘦素的作用和安慰剂没有差别。临床实践说明,大多数人的肥胖都和瘦素的分泌无关,只有极少数遗传性肥胖患者(目前为止仅发现十多个病例),补充瘦素后效果显著。而到目前为止,也几乎没有研究人员发现,肥胖症患者的瘦素受体有什么缺陷(仅发现 1 例)。瘦素虽然不是治疗肥胖的灵丹妙药,但自其发现以来,研究文献已累计数千篇之多。瘦素受体在大脑脉络丛、下丘脑、肝脏、胰脏、肺脏及肾脏等多个部位均有发现,这也暗示着瘦素的作用远远不止调节体重那么简单。目前研究还揭示,瘦素可以使雌性 ob 小鼠恢复生育能力,而对人青春期时瘦素的分泌研究也显示,瘦素和性成熟的过程有一定的关系。

自 ob 基因被克隆以来,对肥胖的研究逐渐成为一个非常热门的领域,随着研究的深入,科学界基本取得共识,人类的肥胖是个非常复杂的现象,至少涉及数百个相关基因。因此,那种希望服用一粒神奇药丸就能实现快速减肥的想法,可能永远不会成功。我们的文明已经进入到信息时代,但我们的基因和石器时代的老祖宗们差别不大。那时候,为了果腹需要付出的代价远远高于现在,在漫长的半饥饿状态下,我们选择了怂恿我们吃甜食和热衷于高脂、高热量食物的基因,毫无疑问这些基因曾经帮助我们的祖先成功地度过了许多难关。但是现在,对多数城市人口而言,甜食和高热量食物唾手可得,而这些本能般的爱好,结合文明发展所导致的体力消耗的减少,使得人类的体重逐年攀升,是一目了然的事。

(作者:三思逍遥)


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