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学术经纬

他用8年“死磕”，揭秘了悬而未决近半个世纪的肥胖谜题

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▎药明康德内容团队编辑
数十年前，肥胖一直被认为仅仅是因个人的意志力不足而导致的。直到上个世纪末，一种能够调节食欲和体重的激素——瘦素的发现才为肥胖患者正名，肥胖不仅仅是一种行为问题，生理因素也在肥胖的形成中扮演着重要的角色。
在发现瘦素的过程中，道格拉斯·科尔曼（Douglas Coleman）博士和杰弗里·弗里德曼（Jeffrey Friedman）博士用一场跨越时空的接力研究最终揭开了这种重要激素的神秘面纱。其中，弗里德曼博士为了解析出编码这种神秘激素的基因，整整花了8年的时间。在今天这篇文章中，药明康德内容团队将结合公开资料，以弗里德曼博士的视角为大家讲述两位科学家发现瘦素的故事。
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▲Jeffrey Friedman博士（图片来源：药明康德内容团队制作）

誓要找到科尔曼“预言”的神秘因子

1986年，年轻的医生科学家杰弗里·弗里德曼刚刚获得了博士学位，随后成为了洛克菲勒大学的一名博士后研究员。那时，弗里德曼痴迷于研究分子是如何控制复杂的生理行为的，并且一直以来，有一个问题时常萦绕在他的心头——正常情况下，即使一个人每年摄入约有100万卡路里的热量，他的体重还是基本能维持在一定的范围内，那人体究竟是通过什么方式来维持这种能量的“收支平衡“的呢？或许人体内存在着一种专门监测能量代谢的系统，只是还没人发现它。
通过查阅相关资料弗里德曼发现，这种重要监测系统的存在早已现出端倪。
早在1950年代，两位生理学家戈登·肯尼迪（Gordon Kennedy）和罗曼·赫维（Romaine Hervey）就提出，脂肪组织产生的信号能够作用于下丘脑从而调节体重，但并没有人找到过这种信号分子以及它在下丘脑中的靶点。大约是在同一时期，遗传学家乔治·斯内尔（George Snell）及其同事发现，肥胖（ob/ob）表型小鼠6号染色体上的一个常染色体隐性突变会导致小鼠食欲增加并变得肥胖。在这种突变的作用下，这些“肥胖”小鼠的体重甚至能达到正常小鼠体重的三倍！

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图片来源：123RF
1960年代末，生物化学家道格拉斯·科尔曼通过一系列精妙绝伦的实验“预言”了小鼠血液中存在着一种能够抑制食欲的神秘因子，并且这个因子很可能就是由ob/ob小鼠中突变基因编码的。
在科尔曼的实验中，他将一种会产生类似糖尿病的代谢紊乱，同时还伴随肥胖症状的糖尿病模型（db/db）小鼠与健康小鼠的循环系统缝合到了一起。在他的设想中，实验结果不外乎两种情况——要么健康小鼠体内的某种分子可以改善“糖尿病”小鼠的症状，要么“糖尿病”小鼠体内的某种分子会让健康小鼠也出现糖尿病样的综合征。但结果却偏偏哪一种都不是，缝合后的健康小鼠不仅没有像“糖尿病”小鼠那样疯狂进食，反而最后活活饿死了。
这一结果令科尔曼推测，“糖尿病”小鼠会释放一种能够抑制正常动物食欲的因子，导致健康小鼠饥饿至死，而“糖尿病”小鼠由于基因突变，则不会受到这种因子的影响。
为了验证这个想法，科尔曼又进行了另外两个实验，分别将“糖尿病”小鼠与“肥胖”（ob/ob）小鼠，以及“肥胖”小鼠和健康小鼠的循环系统缝合到了一起。结果显示，“糖尿病”小鼠与“肥胖”小鼠缝合后，“糖尿病”小鼠没有任何变化，“肥胖”小鼠被饿死了；而将健康小鼠与“肥胖”小鼠缝合后，健康小鼠没有受到影响，“肥胖”小鼠的体重则逐渐减轻。
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▲通过缝合不同小鼠的循环系统，科尔曼发现了抑制食欲的潜在机制（图片来源：参考资料[3]）
基于这些研究结果，科尔曼推测，正常小鼠会产生抑制食欲的分子，但不会过量；“肥胖”小鼠体内缺乏这种分子，但能够对外源性的食欲抑制分子做出反应；而“糖尿病”小鼠会产生足以使健康小鼠和肥胖小鼠饿死的食欲抑制分子，但自身缺乏受体来响应。基于这些发现，科尔曼发表了一种与当时主流相悖的结论：肥胖不只是与意志力有关，还涉及到了生理学因素。
为了验证这些假设，科学家们需要鉴定出db/db和ob/ob小鼠模型中出现突变的基因序列以及它们的蛋白质产物。但受限于当时的生物技术水平，没有人能够攻克这个难题。而除了技术上的原因，许多研究人员认为在小鼠中发现的科学结论并不能推及人类，还有一些研究人员则根本不相信存在着什么“体重调节系统”。
不过，弗里德曼不这么认为，通过他掌握的所有资料，他坚信科尔曼的“预言”没有问题，即调节体重的关键激素与ob/ob小鼠中的基因突变相关，该激素作用于下丘脑上的受体则与db/db小鼠中的基因突变相关。眼下，万事俱备，只差临门一脚就能揭开这个神秘分子的面纱。但距离科尔曼做出假设已经过去了十几年，弗里德曼想要达成这个目标仍然不是一件易事。

八年长跑，终获硕果

1980年代初，弗里德曼所在的团队开发出了一种方法，能够根据突变基因在基因图谱上的位置将其识别出来。弗里德曼也打算用这种方法进一步缩小ob/ob小鼠中发生突变的基因（下面简称为ob基因）在6号染色体上的具体位置。不过，他首先要面对的挑战是，他需要繁殖出一大批可供开展实验的ob/ob小鼠。
由于ob基因是一种常染色体隐性基因，除非小鼠从父母双方各继承了一条ob基因，否则不会产生肥胖的表型。这大大增加了弗里德曼从可能带有ob基因的肥胖小鼠中筛选出真正携带ob基因的小鼠的难度，因为他无法直接确定哪个后代携带了这一基因，除非让这些小鼠交配并观察它们后代的遗传特征。即使顺利的话，从小鼠出生到产生肥胖表型，需要的时间周期也不短。另一个问题是，这些ob小鼠还不容易繁殖。为此，弗里德曼只能把ob小鼠的卵巢移植到健康小鼠体内，让这些健康的母鼠生下他需要的ob小鼠。这也使弗里德曼的战线进一步被拉长。
最终，弗里德曼通过与不同的科学家合作，整整死磕了8年的时间，分析了近千只小鼠中的数百个分子标记后，终于于1994年分离出了ob基因，并对它进行了测序。对于当时的弗里德曼来说，他根本不知道何时才能找出ob基因，这一过程似乎永远没有尽头。要是换作其他人，可能早早就放弃了。但他从未有过放弃的念头，一心要找到一个答案。在这8年的时间里，每当有人问及弗里德曼的成果，他都只说：“快了，快了。”好在，他的坚持最终有了丰厚的回报。
弗里德曼在分离出ob基因后，后续的研究成果便水到渠成。他发现，ob基因只在正常动物的脂肪细胞中表现出活性，在其它组织中则没有。不仅如此，他还从脂肪细胞中分离出了人类版本的ob基因。这意味着，这种基因编码的蛋白质可能就是由脂肪组织分泌的，那么脂肪组织就不仅仅只是一个能量仓库来，它很可能还是一个重要的内分泌器官，并且小鼠中存在的体重调控系统很可能也存在于人类中。
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▲瘦素调控能量平衡的作用机制（图片来源：参考资料[2]）
1995年，弗里德曼和同事在后续的实验中，利用细菌构建出了ob蛋白和能够与ob蛋白结合的抗体。与科尔曼此前的研究结果相呼应，“糖尿病”小鼠会过量产生ob蛋白，“肥胖”小鼠在减肥之后就会减少分泌ob蛋白。如果直接将ob蛋白注射到“肥胖”或健康小鼠的大脑中，可以显著抑制它们的食欲，并减轻体重，但这种方法对“糖尿病”小鼠没有作用。而通过抗体实验，弗里德曼等人还确认了所有被测试的哺乳动物（包括人类和啮齿动物）的血液中都携带ob蛋白。
至此，弗里德曼终于揭开了科尔曼“预言”的这种食欲抑制因子的神秘面纱！由于ob基因编码的蛋白质可以让个体变瘦，弗里德曼将其命名为“瘦素（leptin）”。这个单词来源于希腊语中的“leptos”，代表着瘦的意思。
随后，弗里德曼还证明了db/db小鼠中的突变基因参与了瘦素受体的构成，该基因的一种突变形式正是导致“糖尿病”小鼠完全不响应瘦素的原因。其实验室随后的基因活性研究还表明，功能正常的瘦素受体在下丘脑中的表达特别丰富。也就是说，科尔曼此前的所有预测都一一应验了。
科尔曼和弗里德曼的这场跨越时空的接力研究，不仅解开了一个长达数十年的肥胖谜题，还为理解肥胖的发病机制提供了全新的框架——在意识和意志力的控制之外，肥胖还受“瘦素系统”的调控。现在，瘦素疗法已被用于治疗脂肪代谢障碍，并有可能用于某些因瘦素水平异常而肥胖的患者。因两位科学家对瘦素发现的突出贡献，他们共同获得了2010年的拉斯克基础医学研究奖。

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总结自己能够取得这些重要成果的原因，弗里德曼博士将之归功于运气、能等待他慢慢出成果的宽松的科研环境、优秀的合作伙伴以及强烈的决心，他说，“虽然并不能保证成功，但在探索之路上往往有一个额外的要素发挥着重要作用，那就是想把一项工作推进到具有合乎逻辑的结论的强烈决心。”
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参考资料：
[1] Leptin, a hormone that regulates appetite and body weight. Retrieved March 1, 2024, from https://laskerfoundation.org/winners/leptin-a-hormone-that-regulates-appetite-and-body-weight/
[2] Friedman, J. A tale of two hormones. Nat Med 16, 1100–1106 (2010). https://doi.org/10.1038/nm1010-1100
[3] Friedman, J. Douglas Coleman (1931–2014). Nature 509, 564 (2014). https://doi.org/10.1038/509564a
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