流浪兒諾獎傳奇：發明首個基因修飾的科學家

知識 08-16

?馬里奧·卡佩奇（Mario M. Capecchi），2007年的諾貝爾獎生理與醫學獎獲得者。來源：猶他大學網站

導言：

第一個適用於哺乳動物的基因修飾方法，於1987年為美國科學家卡佩奇所發明，其巧妙的設計使該方法首先成功用於小鼠的基因剔除（也稱為基因打靶）。

上世紀90年代中後期，還在美國華盛頓大學工作的饒毅和幾個教授與來訪的卡佩奇教授共進晚餐。席間，饒毅因為覺得卡佩奇帶有外國口音，便問：您哪裡人？

卡答：義大利。

饒：義大利哪裡？

卡：從南到北。

饒：呃？

卡：一個地方不能待太久，店裡的人認得你了，就偷不到吃的。

這時，不僅饒毅目瞪口呆，大家都好奇了。卡佩奇隨後講了故事梗概，包括他被美國飛機俯衝掃射而腿部受傷。

饒毅最後問：那最後來認你的是你媽嗎？

卡：是，她把我送到美國以後基本不談以前的事情，但她和我女兒長得一模一樣（my daughter is a spitting image of my mother)。

卡佩奇的故事在他獲「京都獎」後得以公開報道，義大利記者進一步調查後發現卡佩奇對小時候的記憶有些偏差，特別是關於父親的一些細節。

饒毅表示對那次會面終生難忘，至今還記得當時在座的人和卡佩奇說話的表情。

編譯 | 施佳鑫、王承志

責編 | 程莉

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2007年，美國猶他大學的馬里奧·卡佩奇（Mario M. Capecchi）因其在改造小鼠內特定基因的「基因打靶」（Gene Targeting）技術上的奠基性工作和另外兩位科學家分享了諾貝爾生理與醫學獎。

這項工作對尋找治療癌症的方法有著重要意義，而卡佩奇當時未曾想到，兩年後自己的妻子勞里（Laurie Cepecchi）被診斷出癌症，他的研究工作也因此帶上了個人意味。「有的時候你不得不面對糟糕的境遇」，卡佩奇說，「但很可能那是生活給你上了一課。」

?女兒Misha出生不久時的Cepecchi和妻子Laurie。來源：Ganga Library

街頭流浪

幼年時在義大利街頭的流浪經歷是卡佩奇人生中的第一課。

1937年10月6日，卡佩奇出生在義大利北部城市維羅納。第二次世界大戰即將開始，義大利充斥著法西斯、納粹和共產主義的狂熱浪潮，那是一個極端、混亂的時代。

卡佩奇的母親露西·拉姆貝格（Lucy Ramberg）是一個反對法西斯主義和納粹的詩人，她沒有和身為空軍飛行員的卡佩奇父親盧西亞諾·卡佩奇（Luciano Capecchi）結婚，一個人帶孩子。

?卡佩奇的母親露西，19歲。來源：Ganga Library

1941年春，在卡佩奇三歲半時，德國士兵把拉姆貝格從家中帶走，關在了德國的集中營。「我母親其實已經料到了自己會被德國當局逮捕」，卡佩奇回憶道，「在德國士兵來前，她賣光了所有的財產，把錢交給了一戶農場家庭，並託付他們照顧我。」

卡佩奇開始生活在那個位於義大利北部城市提洛爾的農場里。但僅僅一年後，農場主告訴他，他媽媽留下來的錢已經花光，他們無法再負擔他的生活費，於是四歲半的卡佩奇被扔到了街頭。

卡佩奇獨自往南方流浪。他有時候一個人，有時候加入其他無家可歸孩子所組成的幫派，有時候被孤兒院收養，但他幾次從孤兒院逃走。他還記得自己曾多次短暫地和父親生活在一起，但父親常常虐待他，這使他一次次從父親身邊逃走。「那段日子的記憶就好像是老照片，十分鮮活但並不連貫。其中有一些回憶起來讓人痛苦到難以描述，而另一些卻是美好的。」卡佩奇在自傳中寫道。

一個四歲的孩子怎能憑藉自身之力生存下來？卡佩奇說，「那個時候有許多被轟炸過遭遺棄的房子，所以找到一個避難所並不難，重要的是如何找到食物。」

尋找食物、活下去是卡佩奇人生中的第一個科學實驗。「首先你要搞清楚是誰在看管著食物，然後你需要對他們的行為模式做一個評估，最後下手去偷食物。這個過程需要有足夠的耐心。」當卡佩奇回憶起這段往事時，他說，「那段日子的確教會了我許多關於生活的事情。」

1945年春，美軍解放慕尼黑，卡佩奇的母親拉姆貝格獲得釋放，並開始尋找兒子。1946年10月，卡佩奇九歲生日之時，拉姆貝格終於找到了他，卡佩奇堅信這一切都是老天安排的。「說實話，當時我沒有認出我母親來，她蒼老了許多。」彼時的卡佩奇因身患傷寒、營養不良而虛弱不堪，他光著身子躺在醫院的沒有床單、沒有被子的醫院病床上。而在這個醫院裡，卡佩奇已待了將近一年。

初到美國

到醫院的那天，母親給他帶來了許多新衣服，包括一套提洛爾套裝和帶有羽毛裝飾的帽子，直到現在卡佩奇都保存著那時的帽子。母親帶他去首都羅馬辦理簽證手續時，他洗了六年來的第一次澡。之後他們從義大利港口城市那不勒斯坐船去投靠拉姆貝格在美國的弟弟愛德華·拉姆貝格（Edward Ramberg）。在去往美國的路上，卡佩奇嚮往著新的生活，以為將看到美國的道路是黃金鋪成的。儘管後來證明美國並不是滿大街都是黃金，但他發現了比黃金更重要的東西：機會。

卡佩奇的舅舅愛德華是一個量子物理學家，也是個貴格會（Quakers，基督教新教的一個派別）教徒。他們居住在賓州的一個由貴格教徒建立的社區，生活環境和諧美好。在那裡，不同種族、信仰的人生活在一起，不同膚色的孩子在一起玩耍，畫畫、跳舞、運動、探索樹林等，大人們每周都參加社區聚會。

「生活在這樣一個合作性的、人們相互扶持的社區和我獨自在義大利街頭的日子形成了巨大的對比，但治癒內心的創傷和抹去痛苦的回憶需要時間。在美國生活多年之後，我仍會在夜裡用力輾轉、踢蹬，在黎明來臨時床單已被撕裂，床架也被損壞。」因此，卡佩奇的舅舅、舅媽帶著他拜訪了一個又一個心理學醫生和精神病醫生。但專業醫生並沒有多大用處，反而是社區生活讓卡佩奇漸漸恢復。

來到美國之前，卡佩奇幾乎沒有受過正式的教育，或者是任何有關在社會環境中生存的訓練。但是卡佩奇的舅舅和舅媽並沒有放棄他，而是決定要把卡佩奇培養為一個有用的人。他的舅媽幾乎從零開始教他如何閱讀。到美國的第二天，舅舅就把卡佩奇送到了小學三年級的班上。他的第一個任務是學習英語，幸運的是三年級的老師非常有耐心，也給了他很多鼓勵。那位老師讓卡佩奇去參加畫壁畫，這並不需要太多語言交流，但對卡佩奇習慣在美國的生活有很大的幫助，「那個老師讓我知道了什麼是夢想，並讓我有能力去追逐自己的夢想」，卡佩奇說，「這也是美國所給我的。」

此後，卡佩奇進入了一所重視運動和學術的貴格會的高中，在那裡他花了許多時間在運動上，如足球、棒球等，但他最喜歡摔跤，「我喜歡場上只有一個對手的感覺，也很享受摔跤給我的生理和心理的雙重挑戰。」

結緣科學

高中畢業後，他希望能讓這個世界變得更公平、更美好。實現這個願望，他認為需要解決的問題大多和政治相關，於是他進入安提阿學院（Antioch College）學習政治學，把主要的精力放在了學習上。但是政治學「似乎不那麼科學」，於是他轉向學習物理和化學。數學和經典物理的簡潔和優雅吸引了他，於是他修了學校里幾乎所有的數學、物理和化學課程，包括布爾代數、拓撲學、電動力學和物理化學等。

儘管他很滿足於學習數學和物理，但他發現他所學的是早已被研究透的內容，時下最熱門的是量子物理和一些實驗物理學，尤其是粒子物理學，需要大規模的加速器和許多物理學家的合作。「而我想從事的是可以獨立研究、獨立做實驗的科學」，幸運的是安提阿學院提供去其他大學實習的機會，於是卡佩奇到了麻省理工學院（MIT）分子生物學教授里奇（Alex Rich）的實驗室，在那裡他第一次接觸了分子生物學。

分子生物學是19世紀50年代末新興的領域，一切都是全新的，物理、化學、遺傳學、生物學的科學家們一起投入到這個新領域，他們認為最複雜的生物現象都可以從分子的角度來理解，複雜生物現象也可以從簡單的生物體如病毒、細菌中找到對應。因此，從一個生物體中學到的東西很大可能可以被應用在很多別的生物體中，遺傳學和分子生物學會成為分解複雜生物現象的主要手段。

在MIT的經歷讓卡佩奇找到了自己的興趣所在，之後他到了分子生物學的研究重鎮哈佛大學，導師是諾貝爾獎獲得者、DNA雙螺旋結構的發現者之一沃森（James D. Watson）。沃森對卡佩奇的學術生涯產生了深遠的影響，他不教學生如何去做分子生物學實驗（事實上卡佩奇已經對實驗十分精通），而且教會了卡佩奇一個更重要的「技能」，即如何在本領域內找到一個關鍵的、並且在現有的技術下切實可行的研究問題。

?卡佩奇的導師沃森（James D. Watson）。來源：Ganga Library

卡佩奇承認沃森實驗室的訓練非常嚴格，他說，「如果你能順利從他手下畢業，那麼你做這個世界上其他事情都會顯得輕而易舉。」除了嚴格這一點外，沃森也給了學生許多支持。哈佛大學有著豐富的資源，只要學生有好的想法，沃森就會全力支持他們去做。如果研究從頭至尾都是學生獨自完成，即使作為實驗室的擁有者，沃森都會要求學生不要在論文中署他的名字，而這種做法是十分罕見的。

卡佩奇在這樣的研究環境下盡情享受著研究帶給他的樂趣，每周工作90小時是常事。畢業時，導師評價他在博士生涯的工作已經超過了大多數科學家一輩子的成就。「確實，那是一段非常高產的時期，但對我來說那並不是工作，而純粹是樂趣。」卡佩奇說。

畢業後的卡佩奇留在了哈佛醫學院，很快晉陞為副教授，但出人意料的是兩年後他選擇離開哈佛醫學院，去猶他大學任教，開啟新的學術生涯。因為在他看來，哈佛推崇快速出成果，它的環境不適合做一些長期性的研究項目，而且哈佛教授之間彼此獨立，缺乏一種協同合作精神，此外，學院不傾向於引進年輕科學家。而當時猶他大學剛剛建立了醫學院，在那裡他有更多自由從事長期性研究。就這樣，卡佩奇開始了他在猶他大學的基因工程研究。

?卡佩奇在猶他的家附近的風光。來源：Ganga Library

邁向諾獎

自1953年沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構起，生物學家們便開始尋找基因和其對應功能的研究。1973年，斯坦利·科恩（Stanley Norman Cohen, 1980拉斯克基礎醫學獎得主）發表了將特定基因嵌入質粒（環形DNA，基因工程中常被用作基因的載體）後轉染到大腸桿菌擴增的論文，這也拉開了基因工程的序幕。

細菌和人類的基因畢竟相差太多，於是科學家們開始研究將基因轉染至哺乳動物細胞。此前，已有科學家成功將病毒的酶轉染至哺乳動物細胞，並進一步發揮其技能，這被稱之為細胞的吞噬作用，但成功率只有百分之一。成功率低的一大原因是進入細胞後的DNA片段很難到達細胞核內，於是，卡佩奇想用注射針將DNA直接注入細胞核。

卡佩奇將變異後的DNA的一部分序列複製後注入了小鼠的體細胞，結果發現幾乎所有加入的DNA片段都隨機進入了小鼠原有DNA內。假如能讓特定基因進入小鼠DNA的特定位置，將來就能進一步研究人體內基因的功能和作用了。1980年，卡佩奇向美國國家衛生研究所（NIH）申請基金來研究這一項目，然而這項申請遭到了拒絕。

幾乎同一時間，劍橋大學的馬丁·埃文斯（Martin Evans，後與卡佩奇一同分享諾貝爾獎的另外兩位得主之一）也向英國醫學研究會議（MRC）提交了基金申請書，也遭到了拒絕。人類DNA的鹼基大約有30億對，要從中找到特定位置，將DNA片段插入，是一件極其困難的事情。直到1988年，「正負雙向選擇法」誕生後，這一難題才被解決。

卡佩奇所希望的是將特定基因植入小鼠體內，並能夠通過小鼠的繁衍使該基因得到延續，而此刻，他僅僅把特定基因植入到培養的細胞內。同一時間，威斯康星大學的奧利弗·史密斯（Oliver Smithies，後與卡佩奇、埃文斯分享諾貝爾獎）也成功地將目的基因導入了人體細胞。他們面臨著同樣的問題，如何將特定基因插入到生物體的所有細胞？這一問題的解決最終依靠的是埃文斯。埃文斯發現，剛生長不久的胚胎細胞（即「胚胎幹細胞」）能夠分化為生物體內幾乎所有類型的細胞。卡佩奇獲知埃文斯的這項成果後敏銳地想到，如果用胚胎幹細胞進行基因操作然後再分化，就能培養出基因改造過的動物。

1985年聖誕節假期，卡佩奇和妻子勞里來到英國拜訪了埃文斯，他們得到了熱情接待。埃文斯將胚胎幹細胞的處理方法教給了卡佩奇，之後，他還把胚胎幹細胞送給了來信希望得到胚胎幹細胞的史密斯。

1987年，卡佩奇和史密斯成功的把目的基因插入到了胚胎幹細胞DNA的特定位置，他們選擇的是只存在於X染色體的HPRT基因，也就說只有雄鼠才能表現特定性狀。選擇這個基因還有一個原因是因為如果成功敲除HPRT，細胞就可以產生對6-TG的抗性，這樣便於篩選。接下來，他們把胚胎幹細胞送入了小鼠的胚胎，再把胚胎植入到代孕母鼠的子宮內，這樣生出來的小鼠由於同時擁有兩種體細胞（帶有自身原有基因的細胞和帶有目的基因的細胞），所以被稱為「嵌合體小鼠」（具有混合型性狀）。再將嵌合體雄鼠和普通母鼠交配，誕生的小鼠中的一部分就是只具有目的基因的「基因變異小鼠」了。這種技術實現了對特定基因精確地靶向敲除，因此被稱為基因打靶技術。

但是，如果對胚胎幹細胞的其它基因也進行類似的基因敲除卻有不少技術障礙。一個問題是其它基因並不能像HPRT那樣敲除後有好的篩選體系，另一個問題是將外源DNA導入細胞後重組率很低，這些問題極大地限制了基因打靶技術的應用。卡佩奇和同事經過大量實驗，證實了打靶的效率在很大程度上取決於同源片段的長度和同源性。於此同時，他們還發明了「正負向篩選」方法來富集敲除成功的胚胎幹細胞。這些實驗為基因打靶的廣泛應用奠定了堅實的基礎。

此後，大量的基因敲除動物誕生了。到卡佩奇獲獎時，全球的科學家們已經在小鼠中成功改造了超過整個基因組半數的基因。這些動物模型極大地促進了人類對生命的理解。2007年，卡佩奇、史密斯和埃文斯三人，因這項使用胚胎幹細胞將特定基因導入到動物體內方法獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。卡佩奇從一位流浪兒成為科學巨匠的傳奇也載入科學的史冊。

（實習生周憶沁對此文亦有幫助）

參考：

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2007/capecchi-bio.html

http://www.today.com/id/38992354/ns/today-today_news/t/streets-italy-nobel-prize-america/

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2043165/

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