杰弗里·霍爾和他的小果蠅

康琳

1945年，杰弗里·霍爾出生于美國(guó)紐約。2017年10月2日，他因解開(kāi)了晝夜節(jié)律機(jī)制的奧秘而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，當(dāng)時(shí)他是美國(guó)緬因大學(xué)的退休教授。在談到這次獲獎(jiǎng)時(shí)，他說(shuō)：“是的，沒(méi)錯(cuò)。在我還沒(méi)退休的時(shí)候，我的工作內(nèi)容大半的確與生物節(jié)律有關(guān)。如果說(shuō)我們真的取得了一些研究成果的話(huà)，這應(yīng)該是最著名的成果之一了。我和羅斯巴什在20世紀(jì)80年代中期就開(kāi)始了不懈的合作，還有那些我稱(chēng)為實(shí)際調(diào)查員的人們，比如學(xué)生、博士后研究員，每一天都在緊密合作。這讓我感到很愉快，因?yàn)閮蓚€(gè)實(shí)驗(yàn)室都不是孤立的，我們都得到了對(duì)方的很多支持?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2017/11/07/fdts201711fdts20171111-1-l.jpg" style="">

在霍爾看來(lái)，這次的諾貝爾獎(jiǎng)還有第四位重要的獲獎(jiǎng)?wù)摺靶」墶?，并認(rèn)為它作為生物模型的力量再次得到了證實(shí)。霍爾說(shuō)：“當(dāng)我還是研究生時(shí)學(xué)過(guò)一個(gè)短語(yǔ)，叫作‘果蠅法則。當(dāng)我們追溯到20世紀(jì)90年代、40年代、20年代，或者說(shuō)向后展望時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這只是一個(gè)十億分之一的例子：對(duì)一個(gè)看似與我們無(wú)關(guān)的生命體所做的基礎(chǔ)研究，可能會(huì)產(chǎn)生更為深遠(yuǎn)的意義，甚至超過(guò)生命體本身。對(duì)果蠅的研究就是這樣，幾十年甚至超過(guò)一個(gè)世紀(jì)以來(lái)都做出了重要的貢獻(xiàn)?！?/p>

不錯(cuò)，杰弗里·霍爾及其同事研究的就是果蠅神經(jīng)系統(tǒng)的功能。他們的許多研究方法涉及行為的遺傳學(xué)研究，并通過(guò)對(duì)某些由行為突變決定的基因進(jìn)行分子操作來(lái)增強(qiáng)這些行為。他們的研究分為兩個(gè)方面。

求偶行為的分子神經(jīng)遺傳學(xué)研究

果蠅的中樞神經(jīng)系統(tǒng)是如何控制果蠅的生殖行為的？杰弗里·霍爾及其同事的早期研究涉及識(shí)別成年果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng)的相關(guān)部分，方法包括使用“性別馬賽克”、破壞這些組織以及使用在中樞神經(jīng)遞質(zhì)的代謝中有缺陷的突變體乙酰膽堿。

他們的主要精力放在對(duì)求偶行為突變體的研究上。這一突變體是由Fru基因座的遺傳變化決定的，會(huì)導(dǎo)致雄性不與雌性交配，并且與其他雄性進(jìn)行交配。Fru基因與行為異常綜合征一樣復(fù)雜。杰弗里·霍爾及其同事希望通過(guò)在分子層面上識(shí)別Fru基因來(lái)解開(kāi)其中的一些復(fù)雜性。他們的研究成果和其他關(guān)于不育基因及其突變體的神經(jīng)生物學(xué)發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)證明了這個(gè)因素在果蠅的“性別決定等級(jí)”（SDH）中起作用，并且定義了一個(gè)新的研究分支。在這種情況下，F(xiàn)ru基因像某些SDH基因一樣編碼了轉(zhuǎn)錄因子。他們還發(fā)現(xiàn)，在某些表達(dá)出雄性特有的Fru蛋白質(zhì)的神經(jīng)元中，

5-羥色胺的產(chǎn)生是由該基因的作用調(diào)節(jié)的。此外，5-羥色胺神經(jīng)調(diào)節(jié)劑似乎可以調(diào)節(jié)雄性生殖器官的功能，這一功能在某些Fru基因突變體中受到了顯著的干擾。

另外兩種求偶行為突變體由于異常的雄性“歌唱”行為而被分離出來(lái)，即發(fā)出刺耳聲音（cac）和不和諧聲音（diss）的雄性會(huì)在向雌性振動(dòng)翅膀時(shí)產(chǎn)生異常的聲音。為了理解這些特殊的求愛(ài)歌曲是如何被編程的，杰弗里·霍爾及其同事對(duì)變異和正常聲音進(jìn)行了高分辨率的分析。對(duì)cac和diss基因座的研究具有與Fru基因研究類(lèi)似的復(fù)雜性。例如，互補(bǔ)分析和分子表達(dá)評(píng)估表明，這兩種歌曲的基因都參與了成年果蠅的視覺(jué)調(diào)節(jié)反應(yīng)（行為上和生理上的），cac的基因編碼了由電壓調(diào)節(jié)的鈣通道（1個(gè)亞基）， 這至少使cac突變體中的求偶歌曲缺陷得到了合理的解釋?zhuān)籨iss突變最初是由視覺(jué)突變體決定的，并編碼了一種結(jié)合了核糖核酸的蛋白質(zhì)（NONA）。杰弗里·霍爾及其同事假設(shè)NONA對(duì)初級(jí)cac轉(zhuǎn)錄物的轉(zhuǎn)錄后處理有影響，從而發(fā)現(xiàn)信使核糖核酸（mRNA）的確有幾種不同的亞型，這是由不同的剪接和核糖核酸剪輯造成的。

雄性果蠅在求偶歌曲中產(chǎn)生的音調(diào)脈沖頻率在有節(jié)奏地變化，循環(huán)持續(xù)時(shí)間很短，從30秒至90秒不等，這取決于物種。比如黑腹果蠅，其周期基因座的晝夜節(jié)律突變引起了歌曲節(jié)奏異常，這與日常節(jié)律表型的缺陷類(lèi)似。這些歌曲的發(fā)現(xiàn)為科學(xué)界對(duì)生物節(jié)律進(jìn)行更廣泛的研究打開(kāi)了大門(mén)。

生物節(jié)律的分子神經(jīng)遺傳學(xué)研究

在布蘭迪斯大學(xué)，杰弗里·霍爾與邁克爾·羅斯巴什合作，通過(guò)分析周期基因開(kāi)始了對(duì)晝夜節(jié)律的分子研究。在接受電話(huà)采訪時(shí)，霍爾說(shuō)，這在很大程度上是由于他們從一開(kāi)始就私交甚密。他們的研究興趣大多在遺傳學(xué)領(lǐng)域，這是顯而易見(jiàn)的。認(rèn)識(shí)不到10年，他們就開(kāi)始一起做研究了，覺(jué)得他們的背景和技能也許能夠互補(bǔ)?；魻栒f(shuō)：“能擁有這樣的關(guān)系，關(guān)鍵原因在于我們私下就很親密。我們都對(duì)體育、搖滾音樂(lè)這些通俗文化感興趣，所以我們花很多時(shí)間一起狂歡，或

者在當(dāng)?shù)氐捏w育場(chǎng)里一塊兒坐著發(fā)愁。即使是在晝夜節(jié)律之前的研究當(dāng)中，我們也有很多相似的興趣——他是分子遺傳學(xué)家，而我是如假包換的果蠅遺傳學(xué)家。”20世紀(jì)90年代，他們的研究擴(kuò)展到了分子和神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)了果蠅中五個(gè)額外的與節(jié)律相關(guān)的基因，分別是永恒tim）、生物鐘（Clk）、循環(huán)（cyc）、隱花色素（cry）、色素分散因子（pdf）。這些分子—神經(jīng)—時(shí)間生物學(xué)研究涉及以下方面：

☆基因信息內(nèi)容的確定和操作（用于生物測(cè)定）；

☆生物鐘基因的體外操作或部分的體外操作——部分是為了評(píng)估這些基因在生命周期的不同階段以及各種神經(jīng)和非神經(jīng)組織中的表達(dá)模式；這些研究包括了對(duì)果蠅行為生理節(jié)律的神經(jīng)起搏器細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)識(shí)別；

☆對(duì)節(jié)律起搏器的環(huán)境投入研究，部分由cry功能介導(dǎo)（主要涉及藍(lán)光接收，但似乎也與起搏器實(shí)際操作相關(guān)），也可能由Clk和cyc基因介導(dǎo)（這些是主要的生物鐘因素，但突變體在日常節(jié)律中也表現(xiàn)出異常的光反應(yīng)）；

☆pdf基因操作，在果蠅中并不會(huì)編碼出字面意思上的色素分散因子，而是一種僅在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的寡肽；這些實(shí)驗(yàn)第一次近似地顯示了pdf基因是如何參與生物鐘的輸出功能的，這些功能是果蠅睡眠—蘇醒周期的基礎(chǔ)；

☆對(duì)相近和相遠(yuǎn)的果蠅物種中的生物鐘基因的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行了比較；這些數(shù)據(jù)表明在不同物種之間，某些編碼區(qū)域是高度保守的，另一些則存在很大的差異。這些發(fā)現(xiàn)促成了不同物種間的轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)，在這些實(shí)驗(yàn)中，全部或部分供體物種的周期基因作用已經(jīng)在黑腹果蠅宿主中進(jìn)行了生物測(cè)定。

為了確定有助于晝夜起搏機(jī)制的、與生物鐘相關(guān)的其他基因，杰弗里·霍爾及其同事一直在尋找新的節(jié)律變體。檢測(cè)這些因素的方法之一是測(cè)試攜帶轉(zhuǎn)基因的果蠅，他們將部分生物鐘基因與記錄因子——螢火蟲(chóng)熒光素酶（luc）——融合到一起。這使得周期和永恒基因控制的分子節(jié)律能夠被實(shí)時(shí)追蹤，科學(xué)家可以在幾天內(nèi)單獨(dú)監(jiān)控進(jìn)行“發(fā)光循環(huán)”的果蠅。對(duì)有分子缺陷的節(jié)律變體進(jìn)行基于luc的篩選，初步結(jié)果包括發(fā)現(xiàn)了tim基因座的兩種新突變以及一種新的時(shí)間生物

學(xué)因子cry。

延伸閱讀

生物鐘是生物體內(nèi)的一種無(wú)形的“時(shí)鐘”，實(shí)際上是生物體生命活動(dòng)的內(nèi)在節(jié)律性，由生物體內(nèi)的時(shí)間結(jié)構(gòu)序決定。生物鐘有四點(diǎn)功能，即提示時(shí)間、提示事件、維持狀態(tài)和禁止功能。與之相對(duì)應(yīng)，在人的大腦里有四個(gè)中樞：時(shí)間中樞、空間中樞、功能中樞和終止中樞。這聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)像開(kāi)汽車(chē)：人什么時(shí)候上車(chē)，開(kāi)車(chē)到哪里，踩多久的油門(mén)，到達(dá)后的一腳剎車(chē)。

生物鐘的遺傳實(shí)質(zhì)是生物鐘上記塊的釋放，進(jìn)化的實(shí)質(zhì)是染色體的變異，退化的實(shí)質(zhì)是染色體功能的關(guān)閉。由此看來(lái)，生物鐘具有兩面性：器質(zhì)性和功能性。器質(zhì)性決定器官的性質(zhì)，主要是決定器官的大小、形狀和細(xì)胞數(shù)量，功能性決定器官功能的發(fā)揮程度、功能的有無(wú)、分泌功能物（如各種酶和素）的多少。

通過(guò)研究生物鐘，如今已產(chǎn)生了時(shí)辰生物學(xué)、時(shí)辰藥理學(xué)和時(shí)辰治療學(xué)等新學(xué)科。可見(jiàn)，研究生物鐘，在醫(yī)學(xué)上有著重要的意義，并對(duì)生物學(xué)的基礎(chǔ)理論研究起著促進(jìn)作用。