【諾獎(jiǎng)中的“基因”】彩色玉米基因：旋轉(zhuǎn)，跳躍，我不停歇？

【諾獎(jiǎng)中的“基因”】

如果你經(jīng)常逛農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，那么你會(huì)發(fā)現(xiàn)很多玉米是彩色的，這些玉米不僅外觀好看，營(yíng)養(yǎng)方面也比普通玉米更勝一籌。在感嘆大自然的神奇又或是育種技術(shù)強(qiáng)大的同時(shí)，大家是否知道絢麗的彩色玉米與一項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)有著緊密聯(lián)系？

各種各樣的彩色玉米

1983年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了一位叫芭芭拉?麥克林托克（Barbara McClintock）的女科學(xué)家，以表彰她在發(fā)現(xiàn)“跳躍基因”（現(xiàn)在叫轉(zhuǎn)座子）現(xiàn)象上所做出的杰出貢獻(xiàn)。麥克林托克是歷史上第一位獨(dú)立獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的女科學(xué)家，也被尊稱為“玉米夫人”，她發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)座子，顛覆了我們對(duì)于基因的傳統(tǒng)認(rèn)知，極大地促進(jìn)了生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。轉(zhuǎn)座子的發(fā)現(xiàn)與DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)一并被公認(rèn)為20世紀(jì)遺傳學(xué)史上兩項(xiàng)最重要的發(fā)現(xiàn)。

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者芭芭拉?麥克林托克女士

早期教育和研究

1902年，麥克林托克出生在美國(guó)康涅狄格州的哈特福德，父親是一名醫(yī)生，母親則來自波士頓中上層家庭，是個(gè)詩(shī)人，也是個(gè)畫家，家庭中的文化氛圍為麥克林托克的成長(zhǎng)打下了良好基礎(chǔ)。兄弟姐妹四人中麥克林托克總是喜歡獨(dú)自一人，經(jīng)常在一個(gè)空房間里讀書數(shù)小時(shí)，且成年后的她也總是習(xí)慣獨(dú)處，安靜的性格，似乎冥冥中指引著她走向科學(xué)研究的道路。她對(duì)遺傳學(xué)的熱愛始于1921年，當(dāng)時(shí)她在康奈爾大學(xué)攻讀遺傳學(xué)，由植物育種家和遺傳學(xué)家哈奇森（C.B. Hutchison）指導(dǎo)。當(dāng)時(shí)的哈奇森對(duì)麥克林托克印象深刻，就邀請(qǐng)她參加了研究生遺傳學(xué)計(jì)劃，在1923年，麥克林托克獲得了學(xué)士學(xué)位，又在1925年獲得了碩士學(xué)位，在1927年獲得了博士學(xué)位。在當(dāng)時(shí)，這對(duì)于一名24歲的女性來說是相當(dāng)了不起的。

在康奈爾大學(xué)獲得博士學(xué)位后，麥克林托克留校任教，并在植物育種系組建了一個(gè)植物育種和細(xì)胞學(xué)小組，從事玉米染色體的研究。在這段時(shí)間里，麥克林托克開發(fā)了染色技術(shù)，可以幫助可視化玉米染色體，這些技術(shù)對(duì)于她發(fā)現(xiàn)基因“跳躍”事件大有裨益。到1929年，她已經(jīng)充分完善了這些技術(shù)，可以對(duì)玉米的10條染色體進(jìn)行區(qū)分，使遺傳數(shù)據(jù)與染色體行為聯(lián)系起來。1941年6月，麥克林托克進(jìn)入美國(guó)紐約的冷泉港實(shí)驗(yàn)室任職，繼續(xù)從事她所熱愛的玉米遺傳研究，就是在這里，正式開始了偉大的“跳躍基因”發(fā)現(xiàn)之旅。

玉米基因“跳躍”的發(fā)現(xiàn)

從1932年開始，麥克林托克就在印度彩色玉米中觀察到了玉米籽粒與葉片的色斑無法穩(wěn)定遺傳的現(xiàn)象，而且色斑的大小和出現(xiàn)的時(shí)間也是各有不同。為了找到這個(gè)問題的答案，麥克林托克培育出帶有某條特定染色體的玉米植物，該染色體的存在會(huì)導(dǎo)致隱性棕色表型（bz基因），而該玉米原本具有的染色體編碼白色顯性表型（無色，C基因）。根據(jù)正常的遺傳理論，后代應(yīng)該顯示出全白色的籽粒，但是部分籽粒顯現(xiàn)出了白色帶棕色斑點(diǎn)的性狀。

帶斑點(diǎn)的玉米籽粒

麥克林托克將意外的變化歸因于染色體斷裂，使染色體丟失一個(gè)基因，她稱這種現(xiàn)象為解離，發(fā)生在她稱為Ds的染色體基因座上，此外，她認(rèn)為這種斷裂是由于“跳躍”活化劑（Ac）引起的，Ac促使Ds“跳躍”，Ds的移動(dòng)可能導(dǎo)致被插入基因C產(chǎn)生突變而不能正常行使功能，則隱性基因得到優(yōu)勢(shì)，將顯示為棕色，而Ac控制Ds從突變的C基因處“跳走”又可以恢復(fù)C基因的功能，顯示白色，所以，玉米籽粒白色背景上棕色斑點(diǎn)的數(shù)量取決于籽粒發(fā)育期間基因“跳躍”的時(shí)間。

麥克林托克的Ds-Ac“跳躍”調(diào)控理論

獲獎(jiǎng)的曲折歷史

1951年，麥克林托克在冷泉港研討會(huì)上介紹了她的基因“跳躍”理論，她認(rèn)為遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)和順序不是靜態(tài)的，而是經(jīng)過重新排列的，并且在發(fā)育過程中可能會(huì)發(fā)生變化。會(huì)議的聽眾認(rèn)為她的研究結(jié)果晦澀難懂。麥克林托克的研究與當(dāng)時(shí)的遺傳現(xiàn)象理論不符，因?yàn)檫z傳物質(zhì)在20世紀(jì)60年代之前被認(rèn)為是靜態(tài)實(shí)體。所以，麥克林托克的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一直未受到重視，但是她始終堅(jiān)持著自己的理論。

就這樣，漫長(zhǎng)的30年過去了，鮮有人知道她在冷泉港的實(shí)驗(yàn)室里每天都背負(fù)著什么樣的心情。但是，隨著其他科學(xué)家在細(xì)菌和真菌以及高等動(dòng)植物中相繼發(fā)現(xiàn)了類似于基因“跳躍”的現(xiàn)象，被雪藏的麥克林托克的“基因跳躍”理論才開始得到科學(xué)界的認(rèn)可與重視，世人無不驚嘆于她行走在科研前端的思想和堅(jiān)定不移的信念。終于，在1983年，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)學(xué)金評(píng)定委員會(huì)把該年度的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予這位已經(jīng)81歲的堅(jiān)韌的科學(xué)家，讓她在有生之年看到了科學(xué)界對(duì)她成果的最高認(rèn)可。9年后，也就是1992年9月2日，麥克林托克在冷泉港去世，終年90歲。

麥克林托克的成果證明了DNA遠(yuǎn)比科學(xué)家最初想象的要復(fù)雜，顛覆了人們對(duì)遺傳物質(zhì)的認(rèn)知?，F(xiàn)在我們知道可移動(dòng)的轉(zhuǎn)座子序列約占玉米基因組的85％，占我們?nèi)祟惢蚪M的65％以上，轉(zhuǎn)座子在發(fā)育中的精子和卵細(xì)胞中繞基因組跳躍，對(duì)進(jìn)化十分重要。但是，他們的“跳躍”也可能引起新的突變，目前生物體約10%的突變是由轉(zhuǎn)座子插入其他基因所引起，可能會(huì)導(dǎo)致諸如血友病和癌癥等疾病的發(fā)生，而目前關(guān)于轉(zhuǎn)座子運(yùn)動(dòng)是何時(shí)何地在發(fā)育中的生殖細(xì)胞中發(fā)生的知之甚少。除了與疾病相關(guān)，轉(zhuǎn)座子還可以被用來構(gòu)建突變體庫(kù)，比如彩色玉米的培育和不同形狀番茄的培育等，具有極其廣闊的研究前景。

麥克林托克把一生都奉獻(xiàn)給了她所熱愛的科學(xué)事業(yè)，她是偉大的，也是孤獨(dú)的，但是，科學(xué)正是在這種大膽的猜想與求證中一步步走向未來。

出品：科普中國(guó)

作者：徐樂天（湖北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授）

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