Как мышь прошла путь от диковинки викторианской эпохи до основного направления в биомедицине

Шёл 1905 год, когда французский биолог Люсьен Куэно столкнулся с головоломкой. Он занимался разведением мышей, пытаясь расшифровать закономерности наследования окраски шерсти, но результаты одного из скрещиваний получались не такими, как он ожидал. Когда Куэно вывел гетерозиготных желтокожих мышей, у которых жёлтый окрас был доминантным признаком, а чёрный — рецессивным, он заметил, что на каждую чёрную мышь рождалось две жёлтых, вместо предсказанного соотношения 3:1. Потребовалось ещё пять лет, чтобы пара американских исследователей придумала объяснение происходящему, после чего мышь стала главным модельным организмом биомедицины.

Загадка Куэно поначалу казалась нарушением менделевских законов наследования. Но такие исключения типичны для биологии, где простые правила сговариваются между собой и порождают невероятные вариации, заслоняя наше понимание, как заслоняет поле зрения густой туман. В то время, несмотря на то, что селекционеры уже давно использовали закономерности в наследовании, принципы, лежащие в основе наследственности, оставались загадочными. Так было до тех пор, пока австрийский монах Грегор Мендель не показал, что признаки передаются от родителей к потомству в виде дискретных, независимых друг от друга пакетов.

Мендель добился этого, измерив небольшое количество легко наблюдаемых признаков, таких как цвет и форма семян, в простой модельной системе — горохе. В общем, цель модельных систем, таких как дрожжи, плодовые мушки, инбредные мыши или горох Менделя, заключается в использовании более простого представления для понимания более широкого или сложного явления. Подобно микроскопу, модельный организм — это линза, которая влияет на то, как мы видим мир, — узкая щель, заглядывая через которую мы обретаем более широкое понимание происходящего. Эксперименты Куэно с мышиной шерстью были одной из первых попыток превратить мышь именно в такой «микроскоп».

Простой анализ решётки Пеннетта показывает, что Куэно должен был ожидать 3 жёлтых мышей на каждую чёрную в своих скрещиваниях. Однако гомозиготной мыши нигде не было.

Потребовалось ещё одно столетие после экспериментов Менделя с горохом, чтобы мышь появилась в исследовательских лабораториях. Эксперименты на мышах позволили фундаментально изучить генетику и функции иммунной системы, а также придумать способы лечения рака с помощью иммунотерапии (и несчётное количество других открытий). Без мышиных моделей мы могли бы никогда не разработать вакцины от полиомиелита и менингита, трансплантацию органов, препараты GLP-1, генную терапию или другие виды преобразующего лечения.

Сегодня в биомедицинских исследованиях в США и ЕС ежегодно используется около 30 миллионов грызунов. Большинство лабораторных животных (около 95%) — мыши или крысы. Однако современная распространённость мыши не была гарантирована с самого начала. В начале XIX века поставки мышей для исследований зависели от сообщества любителей-фанатов, которые собирали, разводили и продавали необычные сорта мышей. Эти «причудливые» разновидности были стандартизированы в 1920-х годах небольшой группой исследователей из Джексоновской лаборатории в штате Мэн, которые намеревались использовать их для изучения генетики рака, но были вынуждены продать своих мышей, чтобы поддержать лабораторию, когда во время Великой депрессии закончилось финансирование. После этого мы стали свидетелями аналога сетевого эффекта, когда широкая продажа и использование штаммов мышей Джексоновской лаборатории обеспечили их дальнейшее применение.

Стандартизация штаммов мышей имеет свои преимущества, но есть и риски, связанные с использованием столь небольшого набора моделей. Данные, полученные на основе одного модельного организма, могут дать нам неполную и необъективную картину мира; то, что верно в одном организме, может не соответствовать действительности в другом. Это несоответствие, или отсутствие «предсказательной валидности» при переводе результатов на другие виды организмов, возможно, наиболее вредно в биомедицине: несмотря на обширные испытания на мышиных моделях, только 10% лекарств, которые проходят клинические испытания, попадают на рынок. И хотя несовершенство модельных организмов не является единственной причиной столь низких результатов, справедливо будет сказать, что они несут значительную ответственность. В конце концов, когда все смотрят через одну и ту же линзу, легко не заметить слепых пятен.

«Химически чистое животное»

Хотя их повсеместное распространение может быть исторической случайностью, мыши не случайно стали доминирующей животной моделью для биомедицинских исследований: у них быстро сменяются поколения, большой приплод, они маленькие и относительно просты в обращении. Мыши, будучи млекопитающими, внешне (два глаза, два уха, четыре конечности) и генетически похожи на людей; 99% человеческих генов имеют аналог у мышей, а гены, кодирующие белки, на 85% идентичны по последовательности. Таким образом, по сходству с человеком мыши находятся где-то между свиньями и приматами.

Мыши также попадают в этическую зону золотого сечения. Они достаточно похожи на нас, чтобы быть полезными с научной точки зрения, но достаточно непохожи — отчасти из-за предвзятого отношения к размеру и их истории в качестве вредителей, — чтобы мы не брезговали использовать их для исследований, в отличие от кошек, собак и обезьян. Однако есть и более скромная причина возвышения мыши, которая, вероятно, доминирует в этих оправданиях post hoc: разнообразных мышей в больших количествах учёным исторически было легко достать.

Грызуны и приматы имеют общего предка, который разделился на две ветки 80-90 миллионов лет назад в меловом периоде. По сравнению с другими животными моделями мыши являются одними из наиболее близких родственников человека.

Любители мышей, коллекционировавшие и разводившие необычные их разновидности, стали в большом количестве появляться на рубеже XX века. Эти любители грызунов были частью более широкого расцвета «моды на животных», когда люди занимались собаками, кошками, голубями и другими симпатичными животными. Увлечение животными было предшественником содержания домашних животных, которое появилось на Западе во время промышленной революции, особенно в викторианскую эпоху. Увлечение животными, а затем и домашними питомцами заполнило пустоту, образовавшуюся в результате вытеснения животных из городских условий в сельскохозяйственные или дикие угодья.

Мода на мышей, в частности, вероятно, зародилась в Азии, скорее всего, в Китае, и приобрела популярность в 1700-х годах в Японии, где ценились разновидности, названные по цвету меха, такие как «альбинос», «чёрный», «шоколад», «шампанское» и «сирень». Особой популярностью пользовались японские вальсирующие мыши, названные так из-за мутации внутреннего уха, которая заставляет их кружиться и вертеться, когда они пытаются убежать.[1] В середине 1800-х годов, когда Япония открылась миру, британские торговцы описали импорт модных японских разновидностей мышей в Европу. Впоследствии мода на мышей пришла в викторианскую Англию, где в 1895 году был создан первый национальный мышиный клуб. Подобно более привычным выставкам собак, мыши выставлялись и оценивались по стандартам породы, установленным Национальным мышиным клубом.[2] В статье 1898 года выставочная мышь описывается как «более крупная, чем обычная домашняя особь. Глаза намного больше и полнее, а шерсть не посрамит чистокровного скакуна... Окрас включает в себя не только чёрный и белый, но и почти все оттенки между ними».

Возможно, изначально мышей и выводили для развлечения, но после открытия законов Менделя о наследственности им предстояло сыграть новую научную роль. Мендель впервые опубликовал свои выводы о принципах наследования признаков цвета и формы гороха в 1866 году, но его открытия оставались в безвестности до 1900 года. До Менделя преобладала теория, согласно которой потомство наследует смешанные, или «усреднённые», черты своих родителей. Вполне вероятно, что открытия Менделя игнорировались, потому что считались слишком узкими. Они могут объяснить цвет цветка, но не более постепенно изменяющиеся полигенные признаки, такие как рост человека, на который, как мы теперь знаем, могут влиять сотни генов.[3]

Что поразительно в повторном открытии работы Менделя, так это то, что оно случалось трижды: европейские ботаники Гуго ДеВрис, Карл Корренс и Эрих фон Чермак провели аналогичные эксперименты по селекции примерно в одно и то же время и, изучив литературу, обнаружили, что за 30 лет до этого их обошёл Мендель.[4] На момент повторного открытия немногие зоологи признавали фундаментальное значение законов Менделя, поскольку было неясно, что наследование окраски цветков гороха может многое сказать и о животных.

Однако для некоторых непредубеждённых биологов популяризация работ Менделя вызвала вопросы о том, применимо ли менделевское наследование с его доминантными и рецессивными признаками как к животным, так и к растениям. Окрас шерсти мышей был очевидным выбором признака для оценки в то время, и любители были готовы поставлять разнообразных мышей. Когда Мендель начал своё исследование, его первой мыслью было попробовать разводить мышей разных цветов. Однако прежде чем его эксперимент с мышами начался, Мендель был вынужден сменить тему своих опытов на горох по вине ханжеского епископа, которому было неприятно, что животные занимаются сексом в аббатстве.

Задолго до того, как мышей стали разводить для биологических исследований, любители мышей разработали процесс их разведения в неволе. Это изображение с фронтисписа японского справочника 1787 года «Chin-gan-sodategusa» («Разведение любопытных разновидностей мышей»), в котором описаны причудливые разновидности и даны советы по выведению мышей с желаемым цветом шерсти.

В 1902 году Люсьен Куэно первым подтвердил менделевскую генетику на мышах, когда скрестил серых и альбиносных мышей и показал, что альбиносный окрас является рецессивным. Куэно был зоологом на периферии французской науки; всю свою карьеру он проработал в Нанси, так и не получив назначения в Париже, хотя это было нормой для амбициозных учёных во французском академическом обществе. До работы с мышами Куэно много публиковался по зоологии беспозвоночных. Причины, побудившие Куэно заняться генетическими исследованиями мышей, до конца не выяснены, но, возможно, изолированный от скептицизма парижской академической элиты, сомневавшейся в применимости законов Менделя к животным, он просто был свободен следовать своим интересам.

Уединившись в Нанси, Куэно воспроизвёл менделевское наследование при скрещивании других окрасов шерсти, хотя некоторые разновидности, в первую очередь желтошерстные, вели себя не так, как ожидалось. Интерпретация этой аномалии выпала на долю Уильяма Касла и его студента К.К. Литтла, исследователей из Гарвардского института Бюсси, которые подхватили исследования Куэно и воспроизвели их в 1903 году. В 1910 году эти два исследователя решили загадку жёлтых мышей Куэно, показав, что Куэно случайно открыл летальный ген. Иными словами, причина отсутствия гомозиготных жёлтых мышей заключалась в том, что они не развивались в утробе матери.

Хотя Куэно, возможно, первым применил мышей в генетике, его исследования были прерваны немецким вторжением в Нанси в 1914 году. С началом войны в Европе американцы взяли на себя бразды правления превращением мыши в инструмент для исследований.

В поисках мышей для своих экспериментов Касл сотрудничал с Эбби Лэтроп, любительницей мышей, которая разводила их на своей ферме в Грэнби, штат Массачусетс. В то время основным направлением исследований Касла было установление того, насколько широко применимы законы Менделя, для чего ему требовалась постоянная поставка разных видов мышей (хотя он также экспериментировал с морскими свинками и крысами). Хотя Лэтроп намеревалась разводить мышей для продажи местным любителям, она нечаянно оказалась поставщиком для ряда исследовательских лабораторий, включая Институт Басси.

Эбби Лэтроп не боялась крыс и мышей — черты характера, которые сделали её в некотором роде эксцентричной. Или, как говорилось в статье 1898 года в газете Reading Eagle о распространении моды на мышей из Британии в Америку:

«Последнее пополнение в рядах домашних животных — мышь, и, как ни странно, среди тех, кто ею интересуется, много женщин».

Эбби Лэтроп была любительницей мышей, чьи животные впоследствии были использованы для выведения штамма C57Bl/6, который сегодня широко распространён в биомедицинских науках.

Ферма Лэтроп была «плавильным котлом для мышей», где жили мыши местных фермеров, а также более экзотические разновидности, привезённые из-за границы, в том числе из Японии. Хотя она начинала как мелкий поставщик мышей для любителей, используя потомство одной пары вальсирующих мышей, в конечном итоге её ферма увеличилась в размерах и стала более обширной: 10 000 мышей содержались в отсортированных клетках, а хозяйка вела подробный учёт мышей и их разведения как настоящий учёный.[5] Именно благодаря этим тщательным наблюдениям Лэтроп заметила, что некоторые виды мышей имеют тенденцию к развитию кожных поражений.

В поисках объяснений Лэтроп отправила свои наблюдения различным исследователям рака. Лео Лоэб из Пенсильванского университета сообщил о том, что действительно нашёл у мышей рак. Впоследствии Лоэб и Лэтроп начали сотрудничество, в результате которого они обнаружили, что частота возникновения рака у разных штаммов мышей различается, и что предрасположенность к раку может передаваться по наследству, что указывает на его возможную генетическую основу. Примерно в это же время, в 1909 году, Эрнест Тайзер, ещё один исследователь из Гарварда, проводил эксперименты по пересадке опухолей молочной железы мышам. Тайзер ещё больше продвинул идею о генетической основе рака, когда понял, что благодаря относительной генетической однородности вальсирующие мыши восприимчивы к пересадке опухолей от одной вальсирующей мыши к другой.

Изначально мышей использовали для подтверждения менделевской генетики, однако изучение восприимчивости к раку позволило предположить, что мыши могут сыграть более значительную роль — помочь учёным разобраться в причинах и лечении человеческих заболеваний. В статье 1913 года под названием «Связь наследственности с раком у человека и животных» Литтл изложил свои аргументы в пользу того, чтобы рассматривать мышь в качестве модели для изучения человеческой болезни. Признавая скептицизм, который некоторые выражали по поводу применимости данных о мышах к человеческим болезням, он привёл аргумент по аналогии: если такие признаки, как цвет глаз и волос, наследуются у людей так же, как у мышей, то почему рак должен вести себя по-другому? На мельчайших уровнях клетки и гена, утверждал Литтл, мыши похожи на людей — «кажется несомненным, что этиология рака — это проблема роста и дифференцировки, и как таковая она по сути своей биологическая».

Несмотря на то, что пересаженные опухоли были интересны в качестве модельной системы, их было сложно использовать в экспериментах. Мыши часто отторгали пересаженную опухоль, и было трудно предсказать, когда это произойдёт. Литтл рассудил, что вариации восприимчивости обусловлены различиями в генетике. Если бы ему удалось создать менее генетически изменчивых мышей, он смог бы сделать их более полезным инструментом для изучения болезней.

Литтл считал, что инбридинг мышей — это путь к созданию предсказуемых и генетически стандартизированных моделей мышей. На него повлияло другое направление исследований датского ботаника Вильгельма Йохансена. Йохансен создал инбредные линии фасоли, самооплодотворяя их в течение многих поколений, пока не создал генетически чистые линии.[6] Затем Йохансен показал, что селекция его инбредных бобов — отбор и выращивание более крупных семян — не влияет на размер семян. Поскольку его бобы были генетически однородны, размер семян определялся исключительно окружающей средой; в популяции не было генетических вариаций, на которые мог бы воздействовать отбор.

В своей публикации 1909 года, посвящённой полученным результатам, Йохансен ввёл термины «генотип» и «фенотип», продемонстрировав, что внешне наблюдаемые признаки организма могут изменяться по причинам, отличным от генетических. Для Литтла исследование Йохансена стало демонстрацией того, что инбредные линии могут генетически стабилизироваться, застыть, как муха в янтаре, и таким образом стать устойчивыми к эффектам отбора. Это сделало бы их идеальными для научных экспериментов, требующих сохраняющего свои свойства и воспроизводимого модельного организма.

Воодушевлённый результатами исследований Йохансена, Литтл в 1909 году провёл первые селекционные программы по созданию инбредного штамма мыши. Наставник Литтла, доктор Касл, поначалу был настроен скептически. Он считал, что инбредные штаммы мышей через несколько поколений ослабнут и станут болезненными, потеряв жизнеспособность. Касл также скептически относился к тому, что инбредные линии могут когда-либо достичь желаемого уровня генетической чистоты, и писал:

«"Чистая линия" биологов — это воображаемая вещь, [имеющая] не больше отношения к животным и растениям, чем математический круг к кругам, описанным самым искусным рисовальщиком. Все круги чертёжника имеют дефекты, если посмотреть на них достаточно внимательно; только воображаемый круг математика совершенен».

Хотя многие попытки Литтла действительно не привели к созданию стабильных линий, в конце концов ему удалось вывести штамм, который он назвал «DBA» — «dilute, brown, agouti-», что означает серебристо-коричневый цвет меха. DBA, скорее всего, был получен от частично инбредных серебристо-коричневых мышей Эбби Лэтроп. Литтлу не только удалось создать стабильную линию, но и его инбредные штаммы мышей более предсказуемо перенесли трансплантацию рака. Кроме того, они проложили путь к таким важным открытиям, как главный комплекс гистосовместимости (ГКГ): белки на наших клетках, которые сигнализируют о самоподобии и не позволяют иммунной системе атаковать хозяина.

Воодушевлённый успехом DBA, Литтл позже создал в Институте Бюсси дополнительные инбредные штаммы, включая штамм C57/B6 — или «чёрный 6» для инсайдеров, который является наиболее часто используемой моделью мыши во всём мире.[7] И в этом случае предков «чёрного 6» можно отследить до мышей с фермы Эбби Лэтроп в Массачусетсе.

Происхождение мышей, используемых в исследованиях.

В 1922 году Литтл переехал из Гарварда в штат Мэн, чтобы занять пост президента Университета штата Мэн, и забрал с собой свои ценные инбредные штаммы мышей. В 1925 году Литтл принял предложение стать президентом Мичиганского университета. Тем не менее, он его главной задачей оставались его исследовательские цели, которые заключались в том, чтобы увеличить:

«Признание и оценку» работы с мышами среди врачей, чтобы обеспечить «принятие медиками в целом ... биологической точки зрения ... которая окажет огромную помощь в сведении к анализируемому и предсказуемому состоянию данных, которые в противном случае останутся необъяснимыми».

Однако Литтл чувствовал свою ограниченность в ресурсах, доступных ему в рамках академической системы. Содержание колоний мышей в желаемых Литтлом масштабах было дорогостоящим по сравнению с более простыми модельными организмами, такими как мухи-дрозофилы; для поддержания запасов требовался постоянный уход, а также много места, пищи и воды. Необходимо было постоянно поддерживать гигиенические стандарты; вспышка заболевания может в любой момент уничтожить колонию и отбросить исследования на годы. Чтобы расширить масштабы исследований мышей и увеличить лабораторию в Мичигане, Литтлу удалось получить средства от богатых промышленников, таких как Джон Д. Рокфеллер. Однако после того, как исследования мышей наконец-то получили ту поддержку, которой, по его мнению, заслуживали, жизнь Литтла в Мичигане развалилась. Он развёлся с женой в то же время, когда разногласия с администрацией Мичиганского университета заставили его подать заявление об отставке. Вскоре после этого он вернулся в Мэн [8].

Литтл был готов начать новое дело и задумал создать исследовательский институт, т.н. «биологический курорт», посвящённый развитию использования мышей в качестве инструмента, который существовал бы вне обычных университетских и патронажных систем. По счастливой случайности Джордж Дорр, защитник природы, известный как «отец Национального парка Акадия», согласился выделить участок земли недалеко от Бар-Харбора, и в 1929 году Литтл вместе с семью коллегами основал там Лабораторию Джексона.

Целью лаборатории Джексона, или JAX, как она называется сейчас, было использование инбредных мышей для совершения фундаментальных открытий в области рака, различных болезней и генетики. Брат Литтла, архитектор, спроектировал первое здание за минимальный бюджет — несколько маленьких комнат, оборудованных деревянными клетками для мышей в антисанитарных условиях. Литтл также интересовался генетикой полидактильных кошек, которым он разрешал разгуливать по лабораториям и ловить бродячих мышей.

Изначально JAX поддерживала горстка «богатых детройтцев», но их покровители прекратили финансирование, когда экономические условия во время Великой депрессии ухудшились. В результате лаборатория Джексона превратилась из исследовательской организации в коммерческую. Если раньше JAX раздавала своих мышей бесплатно, то теперь была вынуждена продавать их, чтобы свести концы с концами — продажа мышей стала единственным источником финансирования лаборатории. Каждая мышь стоила 10 центов плюс доставка, независимо от штамма (с доплатой за определённый пол). Спрос быстро превысил предложение, и вскоре JAX начала зарабатывать достаточно денег для поддержания своей основной деятельности. Однако первоначальная исследовательская миссия стала жертвой этого поворота, поскольку главным приоритетом JAX стало массовое производство стандартизированных мышей на продажу.

Изначально использование инбредных мышей ограничивалось исследованиями генетики имплантированных опухолей, но после получения в 1938 году гранта от недавно созданного Национального института рака сфера применения лабораторной мыши значительно расширилась. Однако и за пределами онкологии политики увидели потенциал стандартизированной мыши как модели для изучения всевозможных человеческих заболеваний. В своём выступлении перед Сенатом и Палатой представителей США, посвящённом ценности его мышей, Литтл сказал:

«Мы можем получить практически химически чистое животное... насколько это возможно. ...За последний год маленькая лаборатория, в которой я работаю, разослала более 65 000 таких животных... для исследований в области рака и другой экспериментальной медицины» [9].

Литтл рассматривал инбредную мышь как стандартизированный реагент, который поможет продвинуть прогресс в биомедицине, подобно тому, как стандартизированные детали и химикаты способствовали росту промышленности. Для Литтла использование его мышей всегда выходило за рамки рака; в своей речи перед Конгрессом в поддержку финансирования JAX Литтл нарисовал видение мира, в котором, поняв мышь, мы сможем понять самих себя.

Вид с воздуха на лабораторию Джексона, расположенную на острове Маунт-Дезерт в штате Мэн.

Внутри мышиного монастыря

Если и существует что-то похожее на современный монастырь или храм, посвящённый биомедицине, так это Лаборатория Джексона. Некоммерческая организация расположена в густых сосновых лесах на восточном побережье острова Маунт-Дезерт — изрезанной ледниками земли, разорванной пополам фьордом Сомс-Саунд, недалеко от Национального парка Акадия. Здания JAX смотрят на воду и маленькие острова, которые, словно ступеньки, расположились между Бар-Харбором и изрезанным побережьем, обозначающим северо-восточную оконечность Соединённых Штатов.

В нескольких десятках зеленовато-голубых и бежевых зданий JAX содержит 13 000 штаммов мышей и отправляет миллионы мышей в год сторонним исследователям. По мере расширения нашего контроля над биологией расширялся и каталог JAX. Исследователи больше не ограничены только штаммами, выведенными вручную или спонтанно обнаруженными, но теперь могут использовать такие инструменты, как CRISPR, для введения или удаления определённых генов, чтобы создавать мышей, созданных специально для моделирования определённых заболеваний.[10] Хотя JAX больше не является единственным крупным поставщиком лабораторных мышей — крупнейшим в мире коммерческим дистрибьютором мышей сегодня является компания Charles River Laboratories, основанная в 1947 году, — самые популярные сегодня штаммы, тем не менее, могут вести своё происхождение от JAX. Бестселлером Charles River является линия мышей «чёрная 6» (C57BL/6NCrl), которая попала в компанию через JAX и NIH.

Если JAX — это храм, то управление колонией — это ритуал. В руководстве JAX по генетически стандартизированным мышам подробно описаны процедуры, позволяющие оградить колонию от микробного заражения, — от физических барьеров до порядка входа и передвижения по комнатам для мышей. При поступлении новых мышей из внешнего мира принимаются чрезвычайные меры для предотвращения заражения: беременных самок убивают, их матки удаляют хирургическим путём и пропускают через дезинфицирующий барьер, прежде чем извлечь живых детёнышей и отдать их новой «свободной от патогенов» матери.

Не менее важными, если не более важными, чем поддержание барьера с внешним миром, являются процедуры, сохраняющие генетическую чистоту ценных инбредных линий JAX – «программа генетической стабильности».

Некоторое загрязнение генофонда происходит в результате непреднамеренных скрещиваний между штаммами, но есть и неумолимый генетический дрейф: спонтанное возникновение и закрепление новых генетических мутаций. Чтобы предотвратить генетический дрейф, наиболее популярные штаммы, такие как «чёрный 6», выводятся из базового поголовья, которое регулярно генотипируется с помощью панели, проверяющей 27 однонуклеотидных полиморфизмов. Поголовье мышей (яйцеклетки, эмбрионы) замораживается на территории кампуса и в резервном хранилище на случай катастрофы, которая может угрожать предприятию. И каждые пять лет из замороженных эмбрионов заново создаётся базовое поголовье:

«В результате в течение 100-летнего периода у базового поголовья появится не более 4-10 поколений. Это контрастирует даже с лучшими методами управления колониями, которые приводят к появлению примерно 3 поколений в год — около 300 поколений за 100-летний период. Это эффективно замедляет скорость генетического дрейфа в 20-50 раз».

Эти меры существенно замедляют генетический дрейф, но не устраняют его полностью. В период с 1930 по 1970 год в результате генетического дрейфа возникло более 40 субштаммов «чёрного 6», имеющих тонкие различия в физиологии. Материалы из лаборатории JAX предупреждают о том, что различия между субстратами могут повлиять на выводы исследования. В одном случае ген, который, как оказалось, был токсичен для печени при использовании одного субстрата «чёрного 6» в качестве контроля, вместо этого защищал функцию печени при использовании другого субстрата. Такие различия стоят исследователям времени и денег и, скорее всего, часто остаются незамеченными. Даже незначительные различия между субштаммами могут привести к большим различиям в моделях заболеваний, созданных с помощью этих штаммов, что влияет на реакцию на противоэпилептические препараты, отторжение имплантированных опухолей, секрецию инсулина и многое другое.

Хотя вариативность поголовья мышей не создаётся намеренно, она часто оказывается полезной. В такой большой колонии обязательно возникнут спонтанные мутации с интересными фенотипами. Чтобы найти их, сотрудники JAX учат своих техников обращать внимание на «девиантов»: мышей с необычными характеристиками, не характерными для родительского штамма, откладывают в сторону, чтобы они могли пригодиться исследователям. В одном из таких случаев Лерой Стивенс — в то время аспирант, работавший в JAX, — обнаружил у одной из мышей тератому (кошмарную опухоль из волос, мышц, зубов и костей, похожую на неправильно развившийся плод). До сих пор не существовало модели этих пороков развития, и, проведя дальнейшее исследование, Стивенс обнаружил, что тератомы есть у одного процента мышей определённого штамма. В результате дальнейших поисков и генетических манипуляций Стивенс смог достоверно получить тератомы у мышей. Впоследствии Стивенс заметил, что клетки, породившие тератомы, были похожи на клетки, обнаруженные в эмбрионах. Позднее учёные, опираясь на наблюдения Стивенса, показали, что «эмбриональные стволовые клетки» способны развиваться в любую клетку организма, а значит, в один прекрасный день могут стать полезным инструментом для замены повреждённых или больных тканей в более широком смысле.

Ирония заключается в том, что мы так многому научились благодаря вариациям, в то время как биомедицина стремится к всё большей стандартизации. «Чёрный 6» — самый популярный штамм мышей, используемый в исследованиях сегодня, но его статус стандарта объясняется не более чем случайностью. Поскольку этот штамм стал популярным в самом начале истории моды на мышей, было опубликовано множество исследований и методик с использованием мыши «чёрная 6», что обеспечило его дальнейшее использование. Однако мышь «чёрная 6» необычна во многих отношениях: она чувствительна к холоду и боли, легко подсаживается на алкоголь и морфин и склонна кусаться. Мышь «чёрная 6» может казаться нормальной, потому что она повсеместно распространена, но это только потому, что стандартизация закрепила её идиосинкразию. Даже те, кто знает об этих проблемах, мало что могут сделать, скованные рамками стандарта.

Биомедицинские науки критикуют как «внутренне самосогласованную вселенную, имеющую мало общего с медицинской реальностью». Это не совсем справедливо, но когда лекарства так часто терпят неудачу, несмотря на испытания на животных, нетрудно увидеть в мышах JAX метафору биомедицинского предприятия, закрытого от реального мира. Возможно, мы тратим много времени и денег на работу, которая имеет иллюзию плодотворности, и есть веские причины полагать, что инбредные мыши часто сбивают нас с пути.

Например, кажущаяся высокой степень генетического сходства между мышами и людьми может вводить в заблуждение. Хотя белково-кодирующие области генома мыши сходны с человеческими, в последовательности некодирующих областей имеются существенные различия. Хромосомы грызунов подверглись значительной перетасовке после того, как мы разошлись с нашим общим предком, что привело к макроструктурным различиям — несмотря на то, что у нас много общих генов, они находятся в разных местах.

В то время как фундаментальные исследования часто продуктивны на мышах, трансляционные исследования лекарств, как правило, довольно нетерпимы к биологическим различиям. В онкологии, на которой сосредоточены амбиции Литтла, мышиные модели оставляют желать лучшего. Имплантированные опухоли (в том числе ксенотрансплантаты) сегодня являются стандартной частью доклинических исследований лекарств от рака, однако показатели успешности разработки лекарств от рака — одни из самых низких среди всех терапевтических областей. По сравнению с естественными гуморальными опухолями, имплантированные опухоли, как правило, более генетически однородны, а также имеют другую (часто более простую) архитектуру и микросреду, что затрудняет переносимость результатов.

Даже такие генетически простые заболевания трудно или невозможно воссоздать у мышей: смертельно опасные болезни, такие как болезнь Тея-Сакса и миодистрофия Дюшенна, вызываются мутациями в отдельных генах у людей, но выключение соответствующих генов у мышей приводит к гораздо более мягким симптомам. Хотя мышиные модели этих генов позволили понять основы биологии, существуют существенные различия, которые препятствуют терапевтическому переносу на другой вид. Отчасти это связано с размерами: мы гораздо крупнее мышей, и биофизические нагрузки на наш организм приводят к различиям в том, как проявляется действие генов в зависимости от масштаба. В других случаях у мышей могут быть иные компенсаторные механизмы, чем у нас.

В связи с этим возникает вопрос: какова цель биомедицинской науки? Ведь если она заключается в эффективном открытии новых лекарств, то наши инвестиции в создание мышиных моделей оставляют желать лучшего. Идея Литтла об использовании мышей в качестве замены человека так и не была полностью реализована; когда дело доходит до деталей, мы иногда оказываемся слишком разными. С другой стороны, если цель состоит в том, чтобы проводить исследования, движимые любопытством, в надежде, что открытия, сделанные на мышах, перейдут на людей, мы можем нечаянно потратить все наши ресурсы, следуя по узкому переулку, в конце которого — тупик. В конце концов, углублённое изучение одного организма — это своего рода ловушка Сократа, где сколько бы вопросов мы ни задавали — даже если мы сосредоточимся на конкретных моделях и штаммах, — возникает всё больше вопросов, на каждый из которых требуются ресурсы для ответа.

Поскольку, по крайней мере, когда речь идёт о терапевтических препаратах, мы в конечном итоге больше всего заботимся об углублении понимания биологии человека, представляется вероятным, что нам будет полезно переключить внимание на ускорение начала испытаний на людях. Например, руководство FDA разрешает проводить испытания «фазы 0», которые позволяют тестировать на людях крошечные дозы исследуемых препаратов без предварительной доклинической работы, чтобы понять, как эти новые препараты метаболизируются и воздействуют на мишени в организме. Само Управление по контролю за продуктами и лекарствами считает, что такие ранние исследования на людях используются недостаточно.

Однако, как представляется, есть много неиспользованных возможностей и в моделях, не связанных с грызунами. Биосфера обладает богатой коллекцией потенциальных новых моделей. Часто нереализуемый идеал в исследованиях заключается в том, чтобы «выбрать лучшую модель для работы», но на практике исследователи по умолчанию выбирают привычную «чёрную 6» по соображениям целесообразности или привычности. Некоторые пытаются изменить эту ситуацию: например, компания Fauna bio собирает геномные данные самых разных животных, в том числе и таких периферийных, как тринадцатиполосный суслик, которые могут помочь нам лучше понять высококонсервативные гены и механизмы сопротивления таким заболеваниям, как ожирение. Теперь, когда стоимость секвенирования снижается, сбор данных такого рода становится более реальным, чем раньше.

Вполне возможно, что нам даже стоит полностью отказаться от использования животных и сосредоточиться на человеческих органах-на-чипах, мини-органах или моделях ИИ. Это может принести пользу не только науке, но и миллионам животных, которые в противном случае страдают или умирают в ходе биомедицинских исследований. Хотя в академических и промышленных кругах мало стимулов для создания подобной инфраструктуры, идеальной структурой для изучения пространства новых моделей может стать хорошо обеспеченная ресурсами целевая исследовательская организация или ARPA-H.

Одной из самых больших проблем, сдерживающих изучение новых моделей, является недостаток финансирования, который является следствием укоренившейся культуры, ориентированной на грызунов. Большинство лабораторий оборудовано для работы с мышами, и у каждого животного есть свой набор предпочтений, которые необходимо учитывать (часто с большими затратами). Промышленники и грантодатели часто являются «приверженцами мышей» и не знают, как относиться к предлагаемым исследованиям на необычных моделях. Несмотря на то, что в NIH есть группа, финансирующая разработку новых моделей, её бюджет относительно невелик. Хотя эти группы могут предоставить первоначальные стартовые средства, их финансирование часто недостаточно стабильно, чтобы довести проекты до конца: в качестве примера можно привести недавнее сокращение финансирования долгоиграющего проекта по изучению старения собак. Большее разнообразие источников финансирования могло бы помочь; на практике почти монопольное положение NIH в области финансирования биомедицинских исследований означает, что если NIH не принимает заявки, то часто больше некуда обратиться.

Стоит также отметить, что мы могли бы лучше использовать мышь. Низкое качество исследований, незамеченная вариативность субстратов и/или неправильный выбор модели ухудшают переносимость результатов и могут привести к тому, что мышь будет казаться худшей моделью, чем она есть на самом деле. Один из вариантов — перейти к более естественным моделям, будь то престарелые мыши, которые могут лучше подходить для изучения биологии старения, или более генетически разнообразные штаммы мышей. В данном случае речь идёт о том, что причиной неудач при переходе от изучения мышей к изучению человека могут быть не различия между мышами и людьми в целом, а различия между людьми и лабораторными мышами в частности. Помимо генетики, большое влияние на результаты могут оказывать различия в кормлении, содержании и обращении с мышами. Хотя JAX тщательно следит за тем, как они обращаются со своими мышами, то же самое не обязательно относится к лабораториям, которые используют их мышей в дальнейшем.

Таким образом, выход не в том, чтобы отказаться от почтённой мыши — она многому нас научила и, возможно, ещё многому научит, — а в том, чтобы усерднее изучать многообразие и разнообразие других форм жизни. Мы должны снова принять вариативность (как это сделали любители мышей) и, возможно, задавать больше вопросов другим организмам и меньше — мышам.

Как в лабораториях появились мыши