果蠅與諾貝爾獎(jiǎng)

湯波

2017年10月2日，美國(guó)遺傳學(xué)家杰弗里·霍爾（Jeffrey C. Hall）、 邁克爾·羅斯巴什（Michael Rosbash）和邁克爾·楊（Michael W. Young），因?yàn)槔霉壸鳛槟Ｊ絼?dòng)物發(fā)現(xiàn)了控制生物鐘的分子機(jī)制，而獲得2017年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。一種飛舞在爛水果上的小蟲子——果蠅，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，不過(guò)這可不是果蠅第一次為科學(xué)家們贏得科學(xué)研究的最高榮譽(yù)。

夏天，水果一旦開(kāi)始腐爛，果蠅就會(huì)尋著爛水果釋放出來(lái)的特殊氣味，成群結(jié)隊(duì)地飛到爛水果上吸食殘存的甜蜜物質(zhì)或酵母菌。它們的體長(zhǎng)一般只有2～3毫米，如果用放大鏡觀察，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這些小蟲子有點(diǎn)像Mini版的蜜蜂，不過(guò)它們那對(duì)紅色眼睛卻是獨(dú)具特色的。一旦幾天不處理這些爛水果，果蠅們很快就會(huì)在其上面繁衍后代，不到兩周時(shí)間，它們就能繁衍一代。雌性果蠅每次產(chǎn)卵約400枚，不到一天的時(shí)間，幼蟲就能破殼而出。

2017年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者，左起為杰弗里·霍爾、邁克爾·羅斯巴什和邁克爾·楊。

跟人類一樣，果蠅也起源于非洲。大約在1萬(wàn)年至1.5萬(wàn)年前，它們隨著人類的腳步從非洲遷移到世界各地，進(jìn)而演化出約1000種不同的果蠅。不過(guò)，最受科學(xué)家青睞的是一種黑腹果蠅，因雄性腹部為黑色而得名。

除了生命周期短、繁殖能力強(qiáng)、易于飼養(yǎng)和便于觀察等特點(diǎn)之外，果蠅還因染色體數(shù)目少，具有適合作模式動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)。自20世紀(jì)初，果蠅就成為遺傳學(xué)研究的最佳模式動(dòng)物。黑腹果蠅的染色體只有4對(duì)，同為模式動(dòng)物的斑馬魚和小鼠染色體分別有25和20對(duì)。2000年，黑腹果蠅基因組測(cè)序完成后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)果蠅和人類基因組序列同源性高達(dá)60%，而且人體75%的已知致病基因與果蠅身上的相似，因此染色體相對(duì)簡(jiǎn)單的果蠅非常適合人類遺傳學(xué)或疾病機(jī)理的研究。

研究果蠅染色體的鼻祖是美國(guó)生物學(xué)家托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan），他利用一只偶爾得到的白眼果蠅開(kāi)展了一系列雜交實(shí)驗(yàn)，由此證明染色體是基因的載體，基因呈線性排列，并提出了“基因連鎖-交換定律”。也就是說(shuō)，位于同一條染色體的基因會(huì)一起遺傳給后代，也有少量基因會(huì)與另一條同源的染色體上的等位基因發(fā)生交換。這一定律與孟德?tīng)柕摹盎蚍蛛x定律”、“基因自由組合定律”，并稱為“遺傳學(xué)三大定律”。1933年，摩爾根因?yàn)樵谶z傳學(xué)方面的巨大成就，獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，同時(shí)他也成為因果蠅研究成果獲得諾貝爾獎(jiǎng)的第一人。

摩爾根因?yàn)榧t眼基因發(fā)生突變，幸運(yùn)地得到一只白眼果蠅，繼而獲得一系列遺傳學(xué)重大發(fā)現(xiàn)，成為現(xiàn)代遺傳學(xué)的奠基人。雖然基因容易發(fā)生突變正是果蠅獲得科學(xué)家們青睞的一大優(yōu)勢(shì)，但果蠅的突變率非常低。摩爾根為了第一只白眼果蠅，在實(shí)驗(yàn)室里苦苦尋找了兩年多，飼養(yǎng)和篩選了不計(jì)其數(shù)的果蠅而不得。1926年，摩爾根的學(xué)生赫爾曼·約瑟夫·穆勒（Hermann Joseph Muller）發(fā)現(xiàn)X射線能導(dǎo)致基因突變，可使果蠅基因突變率提高150倍，這才提高了試驗(yàn)效率。這一發(fā)現(xiàn)也讓輻射技術(shù)成為遺傳學(xué)研究的一項(xiàng)重要技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了輻射遺傳學(xué)，大大加快了遺傳學(xué)研究的步伐。穆勒本人也于1946年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

果蠅體細(xì)胞和配子的染色體圖

值得一提的是，1941年，摩爾根的另一個(gè)學(xué)生喬治·比德?tīng)枺℅eorge Beadle）放棄進(jìn)行了兩年的果蠅遺傳學(xué)研究，與生化學(xué)家愛(ài)德華·塔特姆（Edward Tatum）合作，對(duì)紅色面包霉（鏈孢菌）進(jìn)行X射線照射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所有生物體內(nèi)的一切生物化學(xué)過(guò)程最終都由基因控制，由此提出了著名的“一個(gè)基因一種酶”的學(xué)說(shuō)，兩人也因此獲得了1958年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。雖然他們不是因?yàn)楣壯芯恐苯荧@獎(jiǎng)，但是他們所接受到的科學(xué)訓(xùn)練和獲得的研究靈感都與果蠅有關(guān)。

自穆勒獲獎(jiǎng)之后的近50年，雖然果蠅一直作為模式動(dòng)物，在生命科學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用，但直到1995年，才再次幫助3位科學(xué)家獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。這3位科學(xué)家分別是來(lái)自美國(guó)加利福尼亞理工學(xué)院的愛(ài)德華·劉易斯（Edward B. Lewis）、美國(guó)普林斯頓大學(xué)的瑞克·威斯喬斯（Eric F Wieschaus）和德國(guó)馬克斯-普朗克學(xué)院的克里斯汀·紐斯林-沃爾哈德（Christiane Nüsslein-Volhard），他們通過(guò)對(duì)果蠅突變體的研究，發(fā)現(xiàn)了一些控制果蠅胚胎發(fā)育的重要基因，闡明了胚胎發(fā)育的遺傳規(guī)律，為研究人類的胚胎發(fā)育奠定了重要理論基礎(chǔ)，因此獲得了1995年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

2011年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了法國(guó)生物學(xué)家朱爾斯·霍夫曼（Jules A. Hoffmann）、美國(guó)免疫學(xué)家布魯斯·博伊特勒（Bruce Beutler）和加拿大免疫學(xué)家拉爾夫·斯坦曼（Ralph Steinman），以表彰他們?cè)诿庖邔W(xué)領(lǐng)域取得的研究成果。其中霍夫曼教授和同事在果蠅體內(nèi)分離出一個(gè)Toll基因，并發(fā)現(xiàn)該基因所表達(dá)的蛋白質(zhì)作為受體，能特異識(shí)別某些入侵的細(xì)菌或真菌，從而激活機(jī)體的先天免疫反應(yīng)。隨后不久，博伊特勒博士和同事在人體內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了類似基因，它們同樣具有識(shí)別病原微生物并激活先天免疫反應(yīng)的功能，是人體免疫應(yīng)答的第一步。而美國(guó)洛克菲勒大學(xué)的斯坦曼教授則發(fā)現(xiàn)了免疫系統(tǒng)中的樹突狀細(xì)胞，這種免疫細(xì)胞能激活并控制獲得性免疫，將微生物清除出體內(nèi)?；舴蚵热说难芯砍晒麩o(wú)疑為傳染病、癌癥以及炎癥的防治開(kāi)辟了新的道路。

時(shí)隔6年，美國(guó)3位遺傳學(xué)家因?yàn)槔霉壈l(fā)現(xiàn)生物鐘的分子機(jī)制，再次斬獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。這已是果蠅第5次幫助科學(xué)家們贏得諾貝爾獎(jiǎng)，表明果蠅仍然是生命科學(xué)研究領(lǐng)域一種至關(guān)重要的模式動(dòng)物。時(shí)至今日，很多科學(xué)家還在利用果蠅開(kāi)展一系列原創(chuàng)研究，或許在不久的將來(lái)，果蠅還將為生命科學(xué)研究再立新功。