流浪儿诺奖传奇：发明首个基因修饰的科学家

　　从一个生物体中学到的东西很大可能可以被应用在很多别的生物体中，遗传学和分子生物学会成为分解复杂生物现象的主要手段

　　马里奥·卡佩奇（Mario M. Capecchi），2007年的诺贝尔奖生理与医学奖获得者。来源：犹他大学网站

　　导言：

　　第一个适用于哺乳动物的基因修饰方法，于1987年为美国科学家卡佩奇所发明，其巧妙的设计使该方法首先成功用于小鼠的基因剔除（也称为基因打靶）。

　　上世纪90年代中后期，还在美国华盛顿大学工作的饶毅和几个教授与来访的卡佩奇教授共进晚餐。席间，饶毅因为觉得卡佩奇带有外国口音，便问：您哪里人？

　　卡答：意大利。

　　饶：意大利哪里？

　　卡：从南到北。

　　饶：呃？

　　卡：一个地方不能待太久，店里的人认得你了，就偷不到吃的。

　　这时，不仅饶毅目瞪口呆，大家都好奇了。卡佩奇随后讲了故事梗概，包括他被美国飞机俯冲扫射而腿部受伤。

　　饶毅最后问：那最后来认你的是你妈吗？

　　卡：是，她把我送到美国以后基本不谈以前的事情，但她和我女儿长得一模一样（my daughter is a spitting image of my mother）。

　　卡佩奇的故事在他获“京都奖”后得以公开报道，意大利记者进一步调查后发现卡佩奇对小时候的记忆有些偏差，特别是关于父亲的一些细节。

　　饶毅表示对那次会面终生难忘，至今还记得当时在座的人和卡佩奇说话的表情。

　　2007年，美国犹他大学的马里奥·卡佩奇（Mario M. Capecchi）因其在改造小鼠内特定基因的“基因打靶”（Gene Targeting）技术上的奠基性工作和另外两位科学家分享了诺贝尔生理与医学奖。

　　这项工作对寻找治疗癌症的方法有着重要意义，而卡佩奇当时未曾想到，两年后自己的妻子劳里（Laurie Cepecchi）被诊断出癌症，他的研究工作也因此带上了个人意味。“有的时候你不得不面对糟糕的境遇”，卡佩奇说，“但很可能那是生活给你上了一课。”

　　女儿Misha出生不久时的Cepecchi和妻子Laurie。来源：Ganga Library

　　街头流浪

　　幼年时在意大利街头的流浪经历是卡佩奇人生中的第一课。

　　1937年10月6日，卡佩奇出生在意大利北部城市维罗纳。第二次世界大战即将开始，意大利充斥着法西斯、纳粹和共产主义的狂热浪潮，那是一个极端、混乱的时代。

　　卡佩奇的母亲露西·拉姆贝格（Lucy Ramberg）是一个反对法西斯主义和纳粹的诗人，她没有和身为空军飞行员的卡佩奇父亲卢西亚诺·卡佩奇（Luciano Capecchi）结婚，一个人带孩子。

　　卡佩奇的母亲露西，19岁。来源：Ganga Library

　　1941年春，在卡佩奇三岁半时，德国士兵把拉姆贝格从家中带走，关在了德国的集中营。“我母亲其实已经料到了自己会被德国当局逮捕”，卡佩奇回忆道，“在德国士兵来前，她卖光了所有的财产，把钱交给了一户农场家庭，并托付他们照顾我。”

　　卡佩奇开始生活在那个位于意大利北部城市提洛尔的农场里。但仅仅一年后，农场主告诉他，他妈妈留下来的钱已经花光，他们无法再负担他的生活费，于是四岁半的卡佩奇被扔到了街头。

　　卡佩奇独自往南方流浪。他有时候一个人，有时候加入其他无家可归孩子所组成的帮派，有时候被孤儿院收养，但他几次从孤儿院逃走。他还记得自己曾多次短暂地和父亲生活在一起，但父亲常常虐待他，这使他一次次从父亲身边逃走。“那段日子的记忆就好像是老照片，十分鲜活但并不连贯。其中有一些回忆起来 让人痛苦到难以描述，而另一些却是美好的。”卡佩奇在自传中写道。

　　一个四岁的孩子怎能凭借自身之力生存下来？卡佩奇说，“那个时候有许多被轰炸过遭遗弃的房子，所以找到一个避难所并不难，重要的是如何找到食物。”

　　寻找食物、活下去是卡佩奇人生中的第一个科学实验。“首先你要搞清楚是谁在看管着食物，然后你需要对他们的行为模式做一个评估，最后下手去偷食物。这个过程需要有足够的耐心。”当卡佩奇回忆起这段往事时，他说，“那段日子的确教会了我许多关于生活的事情。”

　　1945年春，美军解放慕尼黑，卡佩奇的母亲拉姆贝格获得释放，并开始寻找儿子。1946年10月，卡佩奇九岁生日之时，拉姆贝格终于找到了 他，卡佩奇坚信这一切都是老天安排的。“说实话，当时我没有认出我母亲来，她苍老了许多。”彼时的卡佩奇因身患伤寒、营养不良而虚弱不堪，他光着身子躺在医院的没有床单、没有被子的医院病床上。而在这个医院里，卡佩奇已待了将近一年。

　　初到美国

　　到医院的那天，母亲给他带来了许多新衣服，包括一套提洛尔套装和带有羽毛装饰的帽子，直到现在卡佩奇都保存着那时的帽子。母亲带他去首都罗马办 理签证手续时，他洗了六年来的第一次澡。之后他们从意大利港口城市那不勒斯坐船去投靠拉姆贝格在美国的弟弟爱德华·拉姆贝格（Edward Ramberg）。在去往美国的路上，卡佩奇向往着新的生活，以为将看到美国的道路是黄金铺成的。尽管后来证明美国并不是满大街都是黄金，但他发现了比黄 金更重要的东西：机会。

　　卡佩奇的舅舅爱德华是一个量子物理学家，也是个贵格会（Quakers，基督教新教的一个派别）教徒。他们居住在宾州的一个由贵格教徒建立的社区，生活环境和谐美好。在那里，不同种族、信仰的人生活在一起，不同肤色的孩子在一起玩耍，画画、跳舞、运动、探索树林等，大人们每周都参加社区聚会。

　　“生活在这样一个合作性的、人们相互扶持的社区和我独自在意大利街头的日子形成了巨大的对比，但治愈内心的创伤和抹去痛苦的回忆需要时间。在美国生活多年之后，我仍会在夜里用力辗转、踢蹬，在黎明来临时床单已被撕裂，床架也被损坏。”因此，卡佩奇的舅舅、舅妈带着他拜访了一个又一个心理学医生和精神病医生。但专业医生并没有多大用处，反而是社区生活让卡佩奇渐渐恢复。

　　来到美国之前，卡佩奇几乎没有受过正式的教育，或者是任何有关在社会环境中生存的训练。但是卡佩奇的舅舅和舅妈并没有放弃他，而是决定要把卡佩奇培养为一个有用的人。他的舅妈几乎从零开始教他如何阅读。到美国的第二天，舅舅就把卡佩奇送到了小学三年级的班上。他的第一个任务是学习英语，幸运的是 三年级的老师非常有耐心，也给了他很多鼓励。那位老师让卡佩奇去参加画壁画，这并不需要太多语言交流，但对卡佩奇习惯在美国的生活有很大的帮助，“那个老 师让我知道了什么是梦想，并让我有能力去追逐自己的梦想”，卡佩奇说，“这也是美国所给我的。”

　　此后，卡佩奇进入了一所重视运动和学术的贵格会的高中，在那里他花了许多时间在运动上，如足球、棒球等，但他最喜欢摔跤，“我喜欢场上只有一个对手的感觉，也很享受摔跤给我的生理和心理的双重挑战。”

　　结缘科学

　　高中毕业后，他希望能让这个世界变得更公平、更美好。实现这个愿望，他认为需要解决的问题大多和政治相关，于是他进入安提阿学院（Antioch College）学习政治学，把主要的精力放在了学习上。但是政治学“似乎不那么科学”，于是他转向学习物理和化学。数学和经典物理的简洁和优雅吸引了 他，于是他修了学校里几乎所有的数学、物理和化学课程，包括布尔代数、拓扑学、电动力学和物理化学等。

　　尽管他很满足于学习数学和物理，但他发现他所学的是早已被研究透的内容，时下最热门的是量子物理和一些实验物理学，尤其是粒子物理学，需要大规模的加速器和许多物理学家的合作。“而我想从事的是可以独立研究、独立做实验的科学”，幸运的是安提阿学院提供去其他大学实习的机会，于是卡佩奇到了麻省理工学院（MIT）分子生物学教授里奇（Alex Rich）的实验室，在那里他第一次接触了分子生物学。

　　分子生物学是19世纪50年代末新兴的领域，一切都是全新的，物理、化学、遗传学、生物学的科学家们一起投入到这个新领域，他们认为最复杂的生 物现象都可以从分子的角度来理解，复杂生物现象也可以从简单的生物体如病毒、细菌中找到对应。因此，从一个生物体中学到的东西很大可能可以被应用在很多别的生物体中，遗传学和分子生物学会成为分解复杂生物现象的主要手段。

　　在MIT的经历让卡佩奇找到了自己的兴趣所在，之后他到了分子生物学的研究重镇哈佛大学，导师是诺贝尔奖获得者、DNA双螺旋结构的发现者之一沃森（James D. Watson）。沃森对卡佩奇的学术生涯产生了深远的影响，他不教学生如何去做分子生物学实验（事实上卡佩奇已经对实验十分精通），而且教会了卡佩奇一个 更重要的“技能”，即如何在本领域内找到一个关键的、并且在现有的技术下切实可行的研究问题。

　　卡佩奇的导师沃森（James D. Watson）。来源：Ganga Library

　　卡佩奇承认沃森实验室的训练非常严格，他说，“如果你能顺利从他手下毕业，那么你做这个世界上其他事情都会显得轻而易举。”除了严格这一点外， 沃森也给了学生许多支持。哈佛大学有着丰富的资源，只要学生有好的想法，沃森就会全力支持他们去做。如果研究从头至尾都是学生独自完成，即使作为实验室的 拥有者，沃森都会要求学生不要在论文中署他的名字，而这种做法是十分罕见的。

　　卡佩奇在这样的研究环境下尽情享受着研究带给他的乐趣，每周工作90小时是常事。毕业时，导师评价他在博士生涯的工作已经超过了大多数科学家一辈子的成就。“确实，那是一段非常高产的时期，但对我来说那并不是工作，而纯粹是乐趣。”卡佩奇说。

　　毕业后的卡佩奇留在了哈佛医学院，很快晋升为副教授，但出人意料的是两年后他选择离开哈佛医学院，去犹他大学任教，开启新的学术生涯。因为在他 看来，哈佛推崇快速出成果，它的环境不适合做一些长期性的研究项目，而且哈佛教授之间彼此独立，缺乏一种协同合作精神，此外，学院不倾向于引进年轻科学 家。而当时犹他大学刚刚建立了医学院，在那里他有更多自由从事长期性研究。就这样，卡佩奇开始了他在犹他大学的基因工程研究。

　　卡佩奇在犹他的家附近的风光。来源：Ganga Library

　　迈向诺奖

　　自1953年沃森和克里克发现DNA双螺旋结构起，生物学家们便开始寻找基因和其对应功能的研究。1973年，斯坦利·科恩（Stanley Norman Cohen, 1980拉斯克基础医学奖得主）发表了将特定基因嵌入质粒（环形DNA，基因工程中常被用作基因的载体）后转染到大肠杆菌扩增的论文，这也拉开了基因工程 的序幕。

　　细菌和人类的基因毕竟相差太多，于是科学家们开始研究将基因转染至哺乳动物细胞。此前，已有科学家成功将病毒的酶转染至哺乳动物细胞，并进一步 发挥其技能，这被称之为细胞的吞噬作用，但成功率只有百分之一。成功率低的一大原因是进入细胞后的DNA片段很难到达细胞核内，于是，卡佩奇想用注射针将 DNA直接注入细胞核。

　　卡佩奇将变异后的DNA的一部分序列复制后注入了小鼠的体细胞，结果发现几乎所有加入的DNA片段都随机进入了小鼠原有DNA内。假如能让特定 基因进入小鼠DNA的特定位置，将来就能进一步研究人体内基因的功能和作用了。1980年，卡佩奇向美国国家卫生研究所（NIH）申请基金来研究这一项 目，然而这项申请遭到了拒绝。

　　几乎同一时间，剑桥大学的马丁·埃文斯（Martin Evans，后与卡佩奇一同分享诺贝尔奖的另外两位得主之一）也向英国医学研究会议（MRC）提交了基金申请书，也遭到了拒绝。人类DNA的碱基大约有 30亿对，要从中找到特定位置，将DNA片段插入，是一件极其困难的事情。直到1988年，“正负双向选择法”诞生后，这一难题才被解决。

　　卡佩奇所希望的是将特定基因植入小鼠体内，并能够通过小鼠的繁衍使该基因得到延续，而此刻，他仅仅把特定基因植入到培养的细胞内。同一时间，威 斯康星大学的奥利弗·史密斯（Oliver Smithies，后与卡佩奇、埃文斯分享诺贝尔奖）也成功地将目的基因导入了人体细胞。他们面临着同样的问题，如何将特定基因插入到生物体的所有细胞？ 这一问题的解决最终依靠的是埃文斯。埃文斯发现，刚生长不久的胚胎细胞（即“胚胎干细胞”）能够分化为生物体内几乎所有类型的细胞。卡佩奇获知埃文斯的这 项成果后敏锐地想到，如果用胚胎干细胞进行基因操作然后再分化，就能培养出基因改造过的动物。

　　1985年圣诞节假期，卡佩奇和妻子劳里来到英国拜访了埃文斯，他们得到了热情接待。埃文斯将胚胎干细胞的处理方法教给了卡佩奇，之后，他还把胚胎干细胞送给了来信希望得到胚胎干细胞的史密斯。

　　1987年，卡佩奇和史密斯成功的把目的基因插入到了胚胎干细胞DNA的特定位置，他们选择的是只存在于X染色体的HPRT基因，也就说只有雄鼠才能表现特定性状。选择这个基因还有一个原因是因为如果成功敲除HPRT，细胞就可以产生对6-TG的抗性，这样便于筛选。接下来，他们把胚胎干细胞送入了小鼠的胚胎，再把胚胎植入到代孕母鼠的子宫内，这样生出来的小鼠由于同时拥有两种体细胞（带有自身原有基因的细胞和带有目的基因的细胞），所以被称为 “嵌合体小鼠”（具有混合型性状）。再将嵌合体雄鼠和普通母鼠交配，诞生的小鼠中的一部分就是只具有目的基因的“基因变异小鼠”了。这种技术实现了对特定 基因精确地靶向敲除，因此被称为基因打靶技术。

　　但是，如果对胚胎干细胞的其它基因也进行类似的基因敲除却有不少技术障碍。一个问题是其它基因并不能像HPRT那样敲除后有好的筛选体系，另一 个问题是将外源DNA导入细胞后重组率很低，这些问题极大地限制了基因打靶技术的应用。卡佩奇和同事经过大量实验，证实了打靶的效率在很大程度上取决于同源片段的长度和同源性。于此同时，他们还发明了“正负向筛选”方法来富集敲除成功的胚胎干细胞。这些实验为基因打靶的广泛应用奠定了坚实的基础。

　　此后，大量的基因敲除动物诞生了。到卡佩奇获奖时，全球的科学家们已经在小鼠中成功改造了超过整个基因组半数的基因。这些动物模型极大地促进了人类对生命的理解。2007年，卡佩奇、史密斯和埃文斯三人，因这项使用胚胎干细胞将特定基因导入到动物体内方法获得了诺贝尔生理学或医学奖。卡佩奇从一 位流浪儿成为科学巨匠的传奇也载入科学的史册。