科学故事:“跳跃基因”的发现
马苏陈伟霆1983年的诺贝尔医学及生理学奖被授予美国遗传学家Barbara McClintock。McClintock得奖的时候已81岁高龄,离她提出“跳跃基因”假说的时间已近32年。她的假说长时间遭到冷遇甚至奚落,其前期境遇并不比遗传学的开山鼻祖Mendel好多少。Mendel在修道院中孤独的进行豌豆交配的遗传实验,通过数学的方法,整理出遗传的基本定律。在1865年,他就完成了这些伟大的实验,但一直等到1900年,他的研究成果同时被3位科学家在3个不同的国度再度发现后才被肯定。而McClintock花了近50年的时光在其狭窄的研究圈里,陪伴着她的是玉米。在那时候很多研究小组都以众取胜,更有大笔经费。但她却连一个研究助理也请不起。她的研究一直很少受到人们的注意。就在这种背景下,她发现了玉米有跳跃基因(Ac-Ds),它们在染体上可随情况不同跳来跳去,来去自如。这些基因可以控制或调节某些构造基因的活性。当她在1951年发表她的研究成果时,全世界大约只有5名遗传学家了解她的研究报告。
McClintock其实在20世纪30年代即对现代生物学上有卓越贡献,她是第1个将观察及鉴识玉米染体所需的细胞学技术发展成功的学者,从而证明了生物在形成配子时在染体的互换
中的确有遗传物质交换,为现代细胞遗传学奠定了新的里程碑,而跳跃基因则是她后半生的另一高峰。
美国时代杂志曾经报道,McClintock自幼就很有主见。她在17岁时进入Cornell大学就读,她本来想主修植物育种,但是由于该系不收女生而改读植物系。1927年她获得植物遗传学的博士学位,从此开始了她与玉米漫长的罗曼史。在20世纪30年代,女性科学家是没有地位的,因此她毕业以后像一个皮球一样,由一个机构滚到另一个机构,在1942年甚至失业。好在新成立的Carnegie Institution of Washington接受了她,并在冷泉港遗传实验室给她一个研究员的职位。为了报答知遇之恩,她在那里工作一直到1992年病逝。
金尤美20世纪40年代,McClintock在冷泉港发现了玉米基因中有一控制种子(玉米粒)的糊粉层颜的突变基因,能从突变型回复成自然状态的野生型,而使籽粒呈现红斑点。这个结果跟她的同事M. Rhoades的发现十分类似,Rhoades发现玉米粒的基因中有
一对黑的同质结合(homozygous)亲代在应该繁殖出都是黑子代时,居然得到不同颜的子代,其比率为全黑:黑点:无=12:3:1。
对于同样的结果,Rhoades想到,玉米应有两个影响玉米粒颜的基因,一个管颜,另一个管斑纹。当“斑点基因”出现时,无的突变基因恢复成有颜的形态,因此玉米粒的种皮显现斑纹。但他的学说必须有两个重要的前提,一是无回复突变成有颜的频率要很高,二是这种回变必须在有斑纹基因时方能发生。但是McClintock则不以为然,她假设除了颜基因外另有两个基因,其一非常靠近颜基因,可以直接控制其开或并;另一位于染体上距离稍远处,而可以控制第一个基因开关的速率。McClintock将此二基因命名为控制元件,以区别于结构基因。她的远见比发现细菌中有启动子和阻遏蛋白基因的Jacob和Monod足足早了十多年(图34,39)。
图34,39 手持玉米的McClintock
1956年,McClintock将有关的跳跃基因做了简要的阐述,她认为,她的实验结果已确定这些元件都存在于玉米的染体上,她对这些控制元件的共同特征进行了总结:? 可使特定的基因表达受到严格的调控,可开可关;? 它们可在染体上移动,也可在不同染体间转位;? 它们可以自动离去,使受控基因又回到本来面目;? 它们可朱琳老公
使染体断裂,甚至引起染体的移位(translocation)、重复(duplication)、缺失(deletion)与倒位(inversion)。
由于McClintock所持的“跳跃基因”观点并不被当时的科学界认可,因此她甚至放弃发表她的很多研究成果。她说:“没有人要读它,发表何用,”然而,时间是科学真理的试金石,到了20世纪60年代,分子遗传学家开始利用新的方法印证了她的发现。后来发展出来的基因克隆技术将McClintock在30年前发现的跳跃基因进行了详细的分析。这些都导致她的假说最终被学术界接纳。
Ac-Ds系统被研究得较为详细。Ac是一种自主调节的基因,当它转移到某一基因附近就可
调节该基因的活性。同时Ac也可使另一种称为Ds的基因转移,结果引起染体的断裂及异常。Ds可插入玉米的shrunken (Sh)基因座次而引起Sh?sh的突变。位于Sh基因座次的基因负责合成蔗糖合成酶以促进淀粉的合成。1982年,B. Burr与F. A. Burr利用野生型玉米所制造的蔗糖合成酶mRNA制备cDNA,作为基因座次的探针以Sh曾安琪
姚迪文章现在什么游戏最火寻Ds插入的位置。再利用各种限制性内切酶将Ds元件切下来,并就较大的DNA加以分析。其结果显示,sh突变型内的Ds基因长度为20,22 kb。这些Ds元件插入Sh基因后就可引起突变。由此推论,若能移走此元件,就可以使突变型(sh)?野生型(Sh)。McClintock曾分离出4种Ds诱发的突变型。经分析,两个突变型是在Sh基因座次靠近转录区插入约20 kb的外来DNA,而另外两种突变型则在Sh基因的5′- 端插入。还有一种回复突变型(revertant)在插入的DNA分子上发生很大的重排(rearrangement),导致Sh基因恢复活性。
漫漫长夜后灿烂的黎明终于来临。在1980年后,名利如雪片飞来,让McClintock应接不暇。1981年,她荣获拉斯可基础医学研究奖(Albert Lasker Basic Medical
Research Award)和以列颁发的Wolf Foundation奖。同年被推选为芝加哥Mac Arthur Foundation的研究员,终其一生,每年可获免税薪俸6万美元,而最高的奖项应该是1983
年的诺贝尔奖。
McClintock的事迹犹如一个科学界的神话故事,这位孤独的科学家长久在退隐中追寻真理,她的发现一向受到蔑视,直到新的技术和手段验证了她的发现。而诺贝尔奖只不过是再度肯定罢了,虽然来得太迟了一些。
为什么McClintock的成就要经过如此漫长的岁月才被科学界肯定呢,她的观念对当时的遗传学家而言是完全新颖的,而当她发表时,根本无人相信。英国爱丁堡大学遗传教授芬肯说:“有两个理由可以说明她的遭遇,第一,她触犯了当时生物学的信念——染体是稳定的。第二,她太急于将如此复杂的证据表现给同行,以致他们完全无法吸收。”芬肯记得,在1948年当他还是研究生时第一次遇见McClintock,她立刻非常热切地向他解释这个发现,而且似乎逢人便如此。受到大家的漠视而得不到认同,McClintock失望极了,从此她退隐且沉默,仿佛缩到蜗壳中,但仍不放弃研究。