果蝇与诺贝尔奖

时间:2018-07-11 栏目:科学24小时

汤波

2017年10月2日,美国遗传学家杰弗里·霍尔(Jeffrey C. Hall)、 迈克尔·罗斯巴什(Michael Rosbash)和迈克尔·杨(Michael W. Young),因为利用果蝇作为模式动物发现了控制生物钟的分子机制,而获得2017年诺贝尔生理学或医学奖。一种飞舞在烂水果上的小虫子——果蝇,成为人们关注的焦点,不过这可不是果蝇第一次为科学家们赢得科学研究的最高荣誉。

夏天,水果一旦开始腐烂,果蝇就会寻着烂水果释放出来的特殊气味,成群结队地飞到烂水果上吸食残存的甜蜜物质或酵母菌。它们的体长一般只有2~3毫米,如果用放大镜观察,你会发现这些小虫子有点像Mini版的蜜蜂,不过它们那对红色眼睛却是独具特色的。一旦几天不处理这些烂水果,果蝇们很快就会在其上面繁衍后代,不到两周时间,它们就能繁衍一代。雌性果蝇每次产卵约400枚,不到一天的时间,幼虫就能破壳而出。

2017年诺贝尔生理学或医学奖获得者,左起为杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什和迈克尔·杨。

跟人类一样,果蝇也起源于非洲。大约在1万年至1.5万年前,它们随着人类的脚步从非洲迁移到世界各地,进而演化出约1000种不同的果蝇。不过,最受科学家青睐的是一种黑腹果蝇,因雄性腹部为黑色而得名。

除了生命周期短、繁殖能力强、易于饲养和便于观察等特点之外,果蝇还因染色体数目少,具有适合作模式动物的优势。自20世纪初,果蝇就成为遗传学研究的最佳模式动物。黑腹果蝇的染色体只有4对,同为模式动物的斑马鱼和小鼠染色体分别有25和20对。2000年,黑腹果蝇基因组测序完成后,科学家发现果蝇和人类基因组序列同源性高达60%,而且人体75%的已知致病基因与果蝇身上的相似,因此染色体相对简单的果蝇非常适合人类遗传学或疾病机理的研究。

研究果蝇染色体的鼻祖是美国生物学家托马斯·亨特·摩尔根(Thomas Hunt Morgan),他利用一只偶尔得到的白眼果蝇开展了一系列杂交实验,由此证明染色体是基因的载体,基因呈线性排列,并提出了“基因连锁-交换定律”。也就是说,位于同一条染色体的基因会一起遗传给后代,也有少量基因会与另一条同源的染色体上的等位基因发生交换。这一定律与孟德尔的“基因分离定律”、“基因自由组合定律”,并称为“遗传学三大定律”。1933年,摩尔根因为在遗传学方面的巨大成就,获得了诺贝尔生理学或医学奖,同时他也成为因果蝇研究成果获得诺贝尔奖的第一人。

摩尔根因为红眼基因发生突变,幸运地得到一只白眼果蝇,继而获得一系列遗传学重大发现,成为现代遗传学的奠基人。虽然基因容易发生突变正是果蝇获得科学家们青睐的一大优势,但果蝇的突变率非常低。摩尔根为了第一只白眼果蝇,在实验室里苦苦寻找了两年多,饲养和筛选了不计其数的果蝇而不得。1926年,摩尔根的学生赫尔曼·约瑟夫·穆勒(Hermann Joseph Muller)发现X射线能导致基因突变,可使果蝇基因突变率提高150倍,这才提高了试验效率。这一发现也让辐射技术成为遗传学研究的一项重要技术,开创了辐射遗传学,大大加快了遗传学研究的步伐。穆勒本人也于1946年获得诺贝尔生理学或医学奖。

果蝇体细胞和配子的染色体图

值得一提的是,1941年,摩尔根的另一个学生乔治·比德尔(George Beadle)放弃进行了两年的果蝇遗传学研究,与生化学家爱德华·塔特姆(Edward Tatum)合作,对红色面包霉(链孢菌)进行X射线照射实验,发现所有生物体内的一切生物化学过程最终都由基因控制,由此提出了著名的“一个基因一种酶”的学说,两人也因此获得了1958年的诺贝尔生理学或医学奖。虽然他们不是因为果蝇研究直接获奖,但是他们所接受到的科学训练和获得的研究灵感都与果蝇有关。

自穆勒获奖之后的近50年,虽然果蝇一直作为模式动物,在生命科学研究中发挥着重要作用,但直到1995年,才再次帮助3位科学家获得诺贝尔生理学或医学奖。这3位科学家分别是来自美国加利福尼亚理工学院的爱德华·刘易斯(Edward B. Lewis)、美国普林斯顿大学的瑞克·威斯乔斯(Eric F Wieschaus)和德国马克斯-普朗克学院的克里斯汀·纽斯林-沃尔哈德(Christiane Nüsslein-Volhard),他们通过对果蝇突变体的研究,发现了一些控制果蝇胚胎发育的重要基因,阐明了胚胎发育的遗传规律,为研究人类的胚胎发育奠定了重要理论基础,因此获得了1995年的诺贝尔生理学或医学奖。

2011年,諾贝尔生理学或医学奖授予了法国生物学家朱尔斯·霍夫曼(Jules A. Hoffmann)、美国免疫学家布鲁斯·博伊特勒(Bruce Beutler)和加拿大免疫学家拉尔夫·斯坦曼(Ralph Steinman),以表彰他们在免疫学领域取得的研究成果。其中霍夫曼教授和同事在果蝇体内分离出一个Toll基因,并发现该基因所表达的蛋白质作为受体,能特异识别某些入侵的细菌或真菌,从而激活机体的先天免疫反应。随后不久,博伊特勒博士和同事在人体内也发现了类似基因,它们同样具有识别病原微生物并激活先天免疫反应的功能,是人体免疫应答的第一步。而美国洛克菲勒大学的斯坦曼教授则发现了免疫系统中的树突状细胞,这种免疫细胞能激活并控制获得性免疫,将微生物清除出体内。霍夫曼等人的研究成果无疑为传染病、癌症以及炎症的防治开辟了新的道路。

时隔6年,美国3位遗传学家因为利用果蝇发现生物钟的分子机制,再次斩获诺贝尔生理学或医学奖。这已是果蝇第5次帮助科学家们赢得诺贝尔奖,表明果蝇仍然是生命科学研究领域一种至关重要的模式动物。时至今日,很多科学家还在利用果蝇开展一系列原创研究,或许在不久的将来,果蝇还将为生命科学研究再立新功。

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