在生命科学的研究体系中，模式生物被视为“可控变量”——它们的遗传背景稳定、实验可重复，是推动基础研究前行的核心工具。然而，随着对基因组演化理解的不断深化，这一前提正在受到挑战。
在本期文章中，科学记者 Kamal Nahas 深入探讨了一个常被忽视的问题：即便在实验室最严格的控制下，模式生物的基因组仍在以不可忽视的速率发生突变。这种变化虽然缓慢，却是持续且积累性的，可能对实验结果、数据可重复性乃至长期科研共识产生潜在影响。
从冷冻胚胎技术的“时间重置”策略，到对突变率跨物种差异的系统分析，本文不仅是对当前实验动物管理实践的反思，更是对未来生物模型使用方式的前瞻性提示。
当“控制组”本身成为变量，我们必须重新审视以其为基础的科学结论。这不仅关乎研究效率，更关乎科研的可靠性根基。
——Asimov Press 中国团队
Kamal Nahas 是 Asimov Press 的专栏作者，主要撰写有关科学与技术的文章。除此之外，他还为多家媒体撰稿，涵盖生物学与健康等领域，发表作品的媒体包括 Live Science、Nature、New Scientist、Science、Scientific American 及 The Scientist 等。
大约有 70% 的科学家表示，他们尝试重复同行实验时以失败告终。而在所有实验类型中，动物实验或许是最难以重复的（the least reproducible）。为了减少实验中使用的动物数量，科学家往往避免对正面结果进行重复验证。但一旦这些实验被重复，结果常常截然不同。¹
2006 年，阿尔伯塔大学（University of Alberta）的研究人员试图重复一项 1993 年的小鼠研究。但他们发现，当小鼠被置于诱发焦虑的迷宫中时，其压力水平与原始实验数据存在差异。研究人员将这种结果上的偏差归因于实验室之间的细微差异，但是否还有其他原因呢？
图注：2000 年代初，八个不同的实验室使用四种近交系小鼠品系（DBA/2、C57BL/6、C3H 和 BALB/c）进行了同样的实验（称为“高架迷宫测试（elevated maze test）”）。多个实验室（按第一作者名字命名）观察到了显著不同的实验结果。
图片来源：Wahlsten D. 等（2006）。
造成这一现象的部分原因在于遗传差异（genetics are partly to blame）。对比野外两只同种动物的基因组，会发现它们之间存在大量的基因差异。这种遗传变异主要来源于 DNA 中的随机突变，而非亲缘个体之间的交配则加剧了变异的混合与传播。
相比之下，近交的实验动物品系个体之间的基因组几乎一致。这种高度一致是人为设计的，目的在于尽量减少遗传变异对实验结果的干扰。但即使如此，研究人员和动物模型供应商也无法完全阻止突变的发生——而这可能会对实验结果产生偏差。
例如，2023 年，哥本哈根大学的生态学家发现，在 68 种脊椎动物（包括鸟类、鱼类、哺乳动物和爬行动物）中，不同物种之间每一代产生的突变数量最多可相差 40 倍。更容易发生突变的物种，其特征变化速度也更快。
研究显示，大多数脊椎动物，包括实验室常用的小鼠（Mus musculus），每一代平均在每 1 亿个 DNA 碱基中发生一次突变。考虑到小鼠基因组的总长度，这意味着每只小鼠相比其父母大约多出 15 个新突变。小鼠的基因变化速度远快于雪鸮（每代仅 1 个突变），但又远慢于达尔文鸵鸟（每代约 47 个突变）。
不过，这项研究并未涵盖所有常用的模式动物。例如在胚胎学研究中扮演关键角色的非洲爪蟾（Xenopus laevis）和斑马鱼（Danio rerio）就未被纳入分析。此外，值得进一步研究的还包括无脊椎模式生物的种系突变率，如秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）和果蝇（Drosophila melanogaster）。尽管如此，研究中观察到的脊椎动物间的巨大差异，已经足以促使科学界开始关注其他模式生物基因组变异的速度。
右图中每个彩色方块表示该物种的观测突变率，附带 95% 的置信区间。黑色方块则表示其他研究中的估算结果。许多爬行动物和鸟类的突变率远高于鱼类。
图片来源：Bergeron, L.A. 等（2023）。
动物一生中会不断在细胞中积累突变，这通常是 DNA 复制过程中发生错误所致。不过在这项研究中，研究人员专注于种系突变，即发生在产生生殖细胞的细胞谱系中的 DNA 变异。种系突变（germline mutations）通常不会影响亲代自身的性状，但会传递给子代。
群体遗传学家认为，突变多数是有害的而非有益的，因为它们更容易破坏复杂的基因调控通路，而不是改善它们。在自然环境中，自然选择通常会将这些有害突变淘汰出种群，因此能遗传下来的种系突变数量会较少。而在实验室中，这种自然筛选机制并不完全适用。科学家通常会人为地安排近亲或基因背景明确的个体进行繁殖，即使这些个体可能携带突变而研究人员并不知情。长期下来，这可能导致一些在自然环境中不会被保留的有害突变，在实验动物群体中逐代积累，甚至变得越来越常见。
此外，动物实验室中饲养的种群规模通常远小于野外种群，这也加剧了上述问题。种群越小，有害突变在其中保留下来的概率越高。在自然环境中，由于有足够的竞争和择偶选择，携带基因缺陷的个体最不可能获得繁殖机会。但在封闭且种群较小的实验室环境中，这类个体的繁殖几率却显著上升。
美国缅因州的杰克逊实验室（The Jackson Laboratory）是一个专门培育和销售小鼠品系的机构，致力于尽可能减少种系突变在代际间的累积。正如生物技术专家 Alex Telford 在 Asimov Press 撰文所述，该实验室会将常用品系的小鼠胚胎在主基地及备份基地冷冻保存，并每隔五年解冻一次，让这些胚胎发育成活体小鼠，再进行繁殖，从而“重启”（reset）基因组。他们表示，这一策略可将基因组变化的速率降低 20 到 50 倍，但无法完全阻止突变的发生。毕竟，在这五年间，小鼠仍会不断获得并传递新的突变。
既然我们知道每只小鼠会积累大约 15 个新突变，那么只需一个简单的估算就能揭示五年内的变化程度。小鼠从受精卵发育为性成熟个体大约需三个月。若每到成熟便立即繁殖，那么五年内将经历约 20 代。将突变数乘以代数，我们可以估算出这些小鼠在五年时间里平均将积累大约 300 个突变。²
缅因州巴港的杰克逊实验室。
在这约 300 个突变中，大多数并不会影响蛋白质编码基因（protein-coding genes），因为这类基因仅占小鼠基因组的 1.5%。最终只有 4 到 5 个突变位于蛋白质编码区域。其中一些可能会改变蛋白质的序列，但这并不意味着蛋白质功能就一定发生了变化：某些突变可能只影响了一个非关键的氨基酸，比如不在活性位点上的氨基酸；或者，它们可能只是将一个功能重要的（functionally-important）氨基酸替换为一个具有相似性质（如极性或电荷相似）的氨基酸。此外，由于遗传密码的冗余性，也可能出现突变并不改变氨基酸序列的情况，因为多个 DNA 三联体可以编码相同的氨基酸。
相比之下，这些突变更有可能出现在小鼠基因组中其余 98.5% 的 DNA 区域内。其中一些区域通过启动子（promoters）、增强子（enhancers）、沉默子（silencers）等调控元件在调控基因表达中扮演着重要角色。其他区域则表达非编码 RNA，比如在蛋白质合成中至关重要、负责携带氨基酸的转运 RNA（tRNA），或能够触发信使 RNA（mRNA）降解并抑制基因表达的微小 RNA（microRNA）。因此，300 个种系突变的积累，更可能改变的是蛋白质编码基因的调控机制，而不是其序列本身。
这些突变可能在一定程度上解释了科研中可重复性危机（reproducibility crisis）的成因。正如 Telford 所指出的，一个此前被证实在某小鼠品系中对肝脏有毒性的基因，在引入到同一品系中但亲缘关系较远的小鼠后，竟表现出保护肝脏功能的效果——这很可能是由于突变差异所致。追踪这些突变既耗时又昂贵，尤其考虑到不同实验动物设施中的小鼠可能携带完全不同的突变组合，基因组间的差异不容忽视。
尽管如此，科学家或许应当考虑对实验小鼠品系进行更频繁的基因组测序，或通过转录组和蛋白质组分析，更频繁地评估其基因调控模式的差异。这样一来，他们就可以在繁殖计划中剔除那些具有基因改变特征的小鼠。
意识到基因组变化对研究可重复性的威胁，越来越多研究人员开始尝试冷冻保存其他动物模型的胚胎，以减少突变负担。2021 年，明尼苏达大学（University of Minnesota）的果蝇研究团队开发出冷冻果蝇胚胎的方法：在胚胎中注入一种冷冻保护剂（cryoprotectant，可防止冰晶膨胀、破坏细胞结构的化学物质），随后将其快速浸入液氮中。而在匈牙利圣伊什特万大学（ Szent István University），研究人员则致力于开发斑马鱼胚胎的冷冻保存技术，但前提是他们必须首先找到一种无毒的冷冻保护剂。
生物学家始终致力于从模式生物中获取尽可能多的信息。在处理动物细胞时，他们会利用诸如单细胞 RNA 测序（single-cell RNA sequencing）等高通量技术研究基因表达差异，采用蛋白质组学（proteomics）探究蛋白水平的变化，还会进行表观遗传分析（epigenetic profiling），以了解 DNA 如何通过紧密包装而调控基因的表达。而如今，研究人员也许正在不经意间记录下由种系突变积累所导致的生物特征。
随着突变悄然重塑我们最信赖的模式生物的基因组，科学家面前的抉择愈发清晰：要么直面这种变异性，要么在代际更替中任由可重复性危机愈演愈烈。
注释：
1. 从事体外实验的科学家通常会重复实验三次，以验证结果的一致性；而进行活体动物实验的研究人员往往只重复一次，以确认是否得出相同的结果。
2. 在每一轮繁殖中，小鼠大约会携带 15 个新的突变，加上前几代积累下来的种系突变。如果每个亲本携带 N 个种系突变，并各自将一半的 DNA 传给下一代，那么它们分别会传递 N/2 个突变给子代。子代从父母双方各继承 N/2 个突变，总计仍为 (N/2)×2=N。因此，突变总量的估算可简化为：每代突变数量 N 乘以繁殖的代数。
封面图片：Ella Watkins-Dulaney
引用：
Nahas, K. “Model Organisms Are Not Static.” Asimov Press (2025). https://doi.org/10.62211/83hr-49kj
英文原文链接：https://press.asimov.com/articles/static-models
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