基因与染色体联系在一起

 在孟德尔的成果获得承认后,整个生物界都知道,是孟德尔所说的遗传因子,即后来丹麦遗传学家约翰森进一步清楚界定所提出的基因,决定了生物的遗传。但是,基因究竟在细胞内的什么地方?摩尔根以果蝇为试验对象,把基因与染色体确定无疑地联系在一起。

什么是染色体?
摩尔根生平
  摩尔根的初期思想 
  果蝇作为实验材料
 白眼基因在X染色体上
  第一只白眼果蝇

基因连锁图

 染色体的变化

什么是染色体?

 

  不幸的孟德尔最终幸运地得到了承认,被追认为遗传学之父。现在,整个生物界都知道,是孟德尔所说的遗传因子,即后来丹麦遗传学家约翰森进一步清楚界定所提出的基因,决定了生物的遗传。但是,基因或遗传因子究竟在细胞内的什么地方?这是遗传学必须回答的问题。

  早在1883年,鲁克斯(W·Roux)就观察到细胞核内能被染色的丝状体。1888年,沃尔德耶(W·Waldeyer)称这种丝状体为“染色体”(chromosome),并猜测染色体与遗传有关。1902年,博韦里(T·Boveri)和萨顿(W·S·Sutton)指出,染色体在细胞分裂中的行为与孟德尔的遗传因子平行:两者在体细胞中都成对存在,而在生殖细胞中则是成单的;成对的染色体或遗传因子在细胞减数分裂时彼此分离,进入不同的子细胞中,不同对的染色体或遗传因子可以自由组合。因而,博韦里和萨顿认为,染色体很可能是遗传因子的载体。这是一个有科学依据的假说,但假说仍然需要科学实验的证实,这一科学历史使命落到了摩尔根(H·Morgan)的肩上。

  在讲摩尔根的故事之前,我们先来认识染色体,了解一下现代关于染色体超微结构的概念。染色体的主要化学成份是脱氧核糖核酸(DNA)和5种称为组蛋白的蛋白质。核小体是染色体结构的最基本单位。核小体的核心是由4种组蛋白(H2A、H2B、H3和H4)各两个分子构成的扁球状8聚体。现在我们知道,DNA分子具有典型的双螺旋结构,一个DNA分子就像是一条长长的双螺旋的飘带。一条染色体有一个DAN分子。如右图(a)所示,DNA双螺旋依次在每个组蛋白8聚体分子的表面盘绕约1.75圈,其长度相当于140个碱基对。组蛋白8聚体与其表面上盘绕的DNA分子共同构成核小体。在相邻的两个核小体之间,有长约50-60个碱基对的DNA连接线。在相邻的连接线之间结合着一个第5种组蛋白(H1)的分子。密集成串的核小体形成了核质中的100埃左右的纤维,这就是染色体的“一级结构”。在这里,DNA分子大约被压缩了7倍。

  染色体的一级结构经螺旋化形成中空的线状体,称为螺线体或核丝,这是染色体的“二级结构”,其外径约300埃,内径100埃,相邻螺旋间距为110埃。螺丝体的每一周螺旋包括6个核小体,因此DNA的长度在这个等级上又被再压缩了6倍。

  300埃左右的螺线体(二级结构)再进一步螺旋化,形成直径为0.4μ的筒状体,称为超螺旋体。这就是染色体的“三级结构”。到这里,DNA又再被压缩了40倍。超螺旋体进一步折叠盘绕后,形成染色单体——染色体的“四级结构”。两条染色单体组成一条染色体。到这里,DNA的长度又再被压缩了5倍。从染色体的一级结构到四级结构,DNA分子一共被压缩了7×40×5=8400倍。例如,人的染色体中DNA分子伸展开来的长度平均约为几个厘米,而染色体被压缩到只有几个微米长。

  染色体在细胞分裂之前才形成。在细胞的代谢期或间期,染色体分散成一级结构或伸展开的DNA分子,组成细胞核内的染色质或核质。

摩尔根生平

 

  摩尔根(T·H·Morgan,1866-1945)1866年9月25日生于美国肯塔基州列克星敦的一户名门望族家庭。摩尔根自幼热爱大自然。童年时代即漫游了肯塔基州和马里兰州的大部分山村和田野,还曾经和美国地质勘探队进山区实地考察,采集化石。14岁(1880年)时,考进肯塔基州立学院(现为州立大学)预科,两年后升入本科。1886年春以优异成绩获得动物学学士学位,同年秋天,进入霍普金斯大学学习研究生课程。报到前,摩尔根曾在马萨诸塞州安尼斯奎姆的一家暑期学校中接受短期训练,学到了不少海洋无脊椎动物知识和基本实验技术。读研究生期间,系统地学习了普通生物学、解剖学、生理学、形态学和胚胎学课程,并在布鲁克斯(W·K·Brooks,1848-1908)指导下从事海蜘蛛的研究。1888年,摩尔根的母校肯塔基州立学院对摩尔根进行考核后,授予他硕士学位和自然史教授资格,但摩尔根没有应聘,继续攻读博士学位。1890年春,摩尔根完成“论海蜘蛛”的博士论文,获霍普金斯大学博士学位。1891年秋,摩尔根受聘于布林马尔学院,任生物学副教授,1985年升为正教授,从事实验胚胎学和再生问题的研究。1903年摩尔根应威尔逊之邀赴哥伦比亚大学任实验动物学教授。从1904年到1928年,摩尔根创建了以果蝇为实验材料的研究室,从事进化和遗传方面的工作。1928年,62岁的摩尔根不甘心颐养天年的清闲生活,应聘为帕萨迪纳加州理工学院的生物学部主任。他将原在哥伦比亚大学工作时的骨干布里奇斯、斯图蒂文特和杜布赞斯基(T·H·Dobzhansky,1900-1975)再次组织在一起,重建了一个遗传学研究中心,继续从事遗传学及发育、分化问题的研究。1945年12月4日,因动脉破裂,摩尔根在帕萨迪纳逝世,享年78岁。

  摩尔根是第一位以遗传学成就而荣获诺贝尔生理学医学奖的科学家,是染色体遗传学的创始人,在孟德尔遗传学向分子遗传学发展的过程中,起着承上启下、继往开来的作用。

摩尔根的初期思想

 

  然而,摩尔根早期的思想对用染色体行为解释遗传现象极为反感,从而导致他怀疑孟德尔学说,并在许多场合公开表示他的反对意见。这是遗传学思想史中一段十分有趣的插曲。当然,摩尔根并非一开始就是反对派,他对孟德尔学说的态度大致可分为:“拥护—反对—继承并发展”3个阶段。

  从达尔文、海克尔、耐格里到魏斯曼,长期以来遗传学完全是一门高度思辨的学科。所谓泛子、种质、遗子等,都是想象出来的,缺乏实验证据。孟德尔则用实验手段研究遗传学,他的原始论文似乎只提供了一些“纯粹的事实”,并且极为谨慎地解释这些事实。他的统计结果又是那样简洁、完美,既能被重复,又可根据这些结果对新设计的实验作出预见。这对当时注重实验,反对臆测和纯推理的实验胚胎学家摩尔根来说,无疑具有极大的说服力。所以,摩尔根在1903年出版的《进化与适应》中写道:“从近年来的结果看,孟德尔实验结果所作的理论解释是如此简洁明了,没有什么值得怀疑的,他已找到了真正的解释。”

  然而,时隔不久摩尔根就疑窦丛生。起因也许来自摩尔根的动物遗传实验,由于实验材料选取不当,他几乎从未得到像孟德尔那样简单的3:1结果。例如,摩尔根曾用腹部为白色、两侧为黄色的家鼠与野鼠杂交,结果发现,毛色的遗传毫无规律,好像生殖细胞中还带有其它颜色。毛色性状的遗传实验虽然不能推翻孟德尔学说,但却使摩尔根对孟德尔学说的广泛适用性产生了怀疑。当越来越多的动物遗传实验产生了难以用孟德尔学说解释的结果时,怀疑就变成了成见。

  1904年秋,摩尔根从布林马尔学院转入名牌哥伦比亚大学,研究方向也从再生问题转向性别决定问题。对摩尔根来说,性别决定研究是胚胎学研究的继续,性别决定与再生一样也是胚胎的发育和分化问题。摩尔根开始接触性别决定时,实际上是以一个胚胎学家的眼光看待遗传问题,所以,他无法理解孟德尔学说与性别决定的关系,并为此彷徨达7年之久,直至1910年。

  摩尔根对孟德尔学说的怀疑,有些是出于误解,有些出于孟德尔学说本身不够完善,有些出于科学发展水平的局限,但都是有一定根据的。

  摩尔根曾指出:孟德尔所说的“显性”和“隐性”的概念并不总是像豌豆中的“高茎”和“矮茎”那样泾渭分明,有的生物后代常常表现出介于假定的显性与隐性之间的中间类型,而追随孟德尔的研究者们总是将它们按主观需要归类,以满足他们预期的比率,这样实验结果就失去了科学性。有些孟德尔信徒为了回答反对者的非难,为了证明孟德尔学说的普遍适用性,往往将错误的结论加以强调,而用增加或减少遗传因子(如随意加上多蜃涌刂颇承┬宰吹募偕瑁├醇右运得鳌U庑┳龇ㄎ抟山徊郊せ四Χ瓤蒲Ъ业姆锤星樾鳎灾?909年在美国育种家协会的一次著名会议上,摩尔根终于将这种情绪爆发出来,对孟德尔学说“迎头痛击”,他指出:“……如果一种因子不能解释一些事实,那么就引用两种因子来解释,如果两种因子还不够,那么用3种因子有时就可以完满解释了。有时,对需要说明的一些极为混淆的结果,常常能解释得非常完满,因为这种解释是虚构出来专用于解释那些混淆的事实的。……我不得不担心,目前正在迅速地发展着一类用以解释其它非寻常的、可能的遗传事实的孟德尔式的教条。”

  可见,摩尔根对孟德尔学说从相信转为怀疑,除了他多年的研究不能证实孟德尔学说等原因以外,思想根子还在于对思辨式研究方法的排斥。孟德尔虽然未对他的实验结果作任何引伸,然而,为了解释他的实验,他提出的遗传因子却是思辨的产物。到1910年为止,没有任何证据表明遗传因子是客观存在的物质实体。

  从孟德尔到摩尔根,正是基因概念、性状概念从模糊到明确,从易变到基本确定的历史时期。摩尔根对孟德尔学说先是相信,继而怀疑,最后又相信的态度变化,反映出他的科学思想的易变性,而摩尔根的科学思想的易变性又是基因概念、性状概念的不确定性的一个折射。通过科学实验,摩尔根的科学思想逐渐从不确定而趋于确定,这是摩尔根科学生涯的一大特征。科学家的思维应该是发散的,而实验结果则是限制思维的边界,它们使发散的思维向真理的极限点收敛。摩尔根则正是这样一位善于思考和实验研究的科学家。

果蝇作为实验材料

 

  对待孟德尔的遗传因子学说,摩尔根似乎走过了头,连孟德尔谨慎而必要的推理也加以反对,那就完全否定了思辨在科学发现中的作用。当然,摩尔根后来认识到自己的偏激,竟然成了一位比魏斯曼还要思辨的遗传学家。

  1910年,这是遗传学史上值得大书一笔的关键性的一年。在这一年里,摩尔根经历了从反对孟德尔学说到相信、支持、证实并发展孟德尔学说的重大转变。就是在这一年,摩尔根甚至写了一篇孟德尔因子不可能由染色体携带的论文投寄给《美国博物学家》杂志。可是,在这篇论文发表之前,事情却发生了戏剧性变化:摩尔根自己竟然通过实验证明,果蝇的白眼基因居然是由性染色体携带的!关于该实验的报道,很快就由美国《科学》杂志发表,而发表的时间竟然先于前一篇论文。前后两篇论文的观点截然相反,给摩尔根的学术生涯平添了一层戏剧性的色彩。

果蝇作为实验材料的优点

  果蝇这种实验材料是1908年在纽约冷泉港卡内基实验室工作的卢茨(F·E·Lutz)向摩尔根推荐的。这是一种常见的果蝇,学名称为“黑腹果蝇”(Drosophila melanogaster)。

  实验材料的选取往往是决定研究工作成功与否的关键,它在遗传学发展史中表现得尤为突出,不仅摩尔根在选用果蝇前后的局面生动地表明了这一点,而且孟德尔选用豌豆,以及后来分子遗传学家们选用真菌、细菌(特别是大肠肝菌)和噬菌体都证明了这一点。可以说,遗传学发展史中,每一次适合实验材料的选取都导致了一次学科发展的飞跃。以哺乳动物为实验材料,饲养管理一般都较复杂,生长期又长,而且由单基因控制的性状少而难寻,所以,一般不适合遗传学理论研究。这也许是遗传学基本定律首先从植物中发现的主要原因。而果蝇体型小,体长不到半厘米;饲养管理容易,既可喂以腐烂的水果,又可配培养基饲料;一个牛奶瓶里可以养上成百只。果蝇繁殖系数高,孵化快,只要1天时间其卵即可孵化成幼虫,2-3天后变成蛹,再过5天就羽化为成虫。从卵到成虫只要10天左右,一年就可以繁殖30代。果蝇的染色体数目少,仅3对常染色体和1对性染色体,便于分析。作遗传分析时,研究者只需用放大镜或显微镜一个个地观察、计数就行了,从而使得劳动量大为减轻。

白眼基因在X染色体上

 

  在野外采集到的果蝇,眼睛都是红色的,称为“野生型”。1910年5月,摩尔根在实验室里饲养的一群红眼野生型果蝇中,发现了一只白眼果蝇。摩尔根独具慧眼,立刻认识到这只白眼果蝇的巨大价值。晚上他把这只珍贵的白眼果蝇带回家,放进床边的广口瓶里之后,才安心睡觉,白天再把它送回实验室去。在实验室里,摩尔根使这只白眼果蝇(它是雄性的)与尽可能多的野生型红眼雌果蝇交配,十天后产生了1240个子裔,形成了一个庞大的果蝇株系。

  白眼雄蝇与红眼果蝇杂交,子一代全是红眼果蝇。子一代自交,子二代的结果完全是孟德尔式的,其中红眼果蝇2688只,白眼果蝇728只,两者比率约为3.4:1,而约占1/4的白眼果蝇则全是雄性个性。摩尔根的这一结果,以“果蝇的限性遗传”为题发表在1910年7月22日出版的《科学》第32卷第120页上。如果没有后面的结果(白眼果蝇全是雄性),则摩尔根的发现只不过是孟德尔学说的又一例证,说明孟德尔学说也适用于昆虫。而后面的结果表明,白眼基因与性别有关,这里面就有新的东西了。摩尔根在论文中没有急于宣布眼色基因一定与性染色体相关联,只不过说,眼色基因的分离与两条性染色体的分离一致。他在该论文中的解释略显复杂,也存在一些细节上的错误,但结论是正确的。同年及翌年,摩尔根又连续发表了两篇论文,终于把基因与染色体的关系确定无疑地联系在一起了。

  摩尔根指出:如果假定控制眼色的基因位于X染色体上,而Y染色体上则不带控制眼色的等位基因,那么实验结果就能得到完满的解释。红眼基因(+)是显性,带有红眼基因的X染色体用X+表示;白眼基因(w)是隐性,带有白眼基因的X染色体用Xw表示。基因型为XwY的雄果蝇,由于Y染色体上没有控制眼色的基因,隐性基因得以表现,所以是白眼果蝇。当白眼雄果蝇与野生型雌果蝇X+X+杂交,子一代的基因型是X+Xw和X+Y,即雌雄果蝇都为红色复眼,且雌果蝇是杂合体。子一代个体相互交配,结果是在子二代中有3/4是红眼果蝇,1/4是白眼果蝇。雌果蝇全为红色复眼,但其中有一半是纯合体,另一半为杂合体。雄果蝇则红眼、白眼各占一半。

  前面已经谈到,将遗传物质与染色体联系在一起,在耐格里、魏斯曼时就早已有之,鲍维里、德弗里斯和萨顿甚至把这种联系描述得十分详细。但这些人所谈的联系都仅仅是推测,并没有将某一个具体的基因定位在某一条染色体上。摩尔根却做到了这一点,他把红眼等位基因和白眼等位基因定位在X染色体上,并用实验证实这些基因是由X染色体携带着遗传的,这就使基因在染色体上的假说有了坚实的基础,而且还是把一个特定的基因(白眼基因)归属到一条特定的染色体(X染色体)上,更有甚者,这条特定的染色体还与性别有关。

 

第一只白眼果蝇

 

  白眼果蝇在基因学说的发展史上起了不可估量的作用,以致引起关于最初那只白眼果蝇来历的争论。向摩尔根推荐果蝇作为实验材料的卢茨,曾出版过一本富有魅力的书《多样性的昆虫》(A Lot of Insects)。他在该书中声称:“摩尔根教授访问我们研究所时,我曾对他提及,在我繁衍的一个血统清楚的果蝇株系中,出现了一只白眼果蝇。但因忙于异常翅脉果蝇的研究而无暇顾及白眼果蝇。摩尔根要走了这只活的白眼果蝇并使之繁殖,终于使白眼果蝇在后代重新出现。我讲这些话,绝非自夸。如果我当时意识到那只白眼果蝇会成为价值无比的珍品,也许就不会把它赠送给别人了。然而,我是把它送给了一位杰出的研究者。实际上,黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)应该称为摩尔根的遗传果蝇。”
  
  摩尔根不承认最初这只活的白眼果蝇来自卢茨,一个相信卢茨的读者在美国《遗传杂志》上发表对卢茨一书的书评,摩尔根立即作出了回答,但却是略带暖昧的回答。他写道,自己确实向卢茨要过果蝇的饲养品系,但是,其中并没有卢茨所说的白眼果蝇,卢茨虽然发现过一只白眼果蝇,但当时就是死的;也不包括白眼果蝇的先代。如果先代中带有白眼果蝇基因,虽然先代本身是红眼,但后裔中总有可能分离出白眼果蝇来。实际上,卢茨所赠的果蝇株系,其后代中未出过白眼果蝇。后来也了解,白眼是果蝇中最常见的一种突变型。“与应用这一突变型材料作出科学发现相比较,发现白眼突变型本身则并不是那么重要”。

  上述摩尔根所说的最后这一句话无疑是对的,且不论最初那只白眼果蝇的来历如何,摩尔根以它作为实验材料,在遗传学史上第一次证明了基因位于染色体上,并且发现了伴性遗传规律。因此,这个白眼果蝇的故事不仅仅是一个戏剧性的插曲,而是值得大书特书的一项重大的研究进展,它开创了摩尔根基因学说的先河。

基因连锁图

  摩尔根证明了基因位于染色体上。但一种生物的基因数目远远多于染色体的数目,因而一条染色体上存在多个基因,就成为一个必然的推论。很多基因存在于同一条染色体上,称为基因连锁(linkage)。这就合理地解释了生物性状的连锁遗传现象。
  
  1906年贝特森和庞尼特(R·C·Punnett)就已经在甜豌豆中发现了生物性状的连锁遗传现象,但当时他们无法对此做出解释。1911年摩尔根提出,果蝇的白眼、黄身和小翅基因连锁于X染色体上,以染色体遗传学说解释了生物性状的连锁遗传现象。由于在生殖细胞形成过程中,细胞中配对的染色体之间发生片段的交换,使后代出现少量不同亲代的连锁类型,交换类型总是以一定的比例(称为交换值)出现。1913年,摩尔根的学生,当时21岁的斯特蒂文特(A·H·Stutervant)提出以交换值作为染色体上基因相对距离的想法。在此基础上,制作了关于染色体上基因之间位置关系及其距离的“基因连锁图”。由于对染色体遗传理论的贡献,摩尔根于1933年荣获诺贝尔生理学医学奖。

染色体的变化

  染色体是基因的载体,染色体的任何变化都将产生显著的遗传效应。染色体的变化包括染色体数目的变化与染色体结构的变化。
  

  染色体数目的变化又可分为倍数性变化与非整倍性变化两类。各种生物的染色体数目恒定。除了细菌、蓝藻等原核生物之外,一般的真核生物,它的体细胞产生生殖细胞(配子)时,都会经过“减数分裂”,即染色体数目减半的细胞分裂。因此,一般生物的体细胞中染色体数目为生殖细胞中染色体数目的两倍,称为“二倍体”。遗传学上把生殖细胞中所包含的全部染色体称为一个“染色体组”。体细胞中的染色体组数目发生变化,即倍数性变化。例如体细胞中仅含有一个染色体组,则称为“单倍体”。蜜蜂的雄蜂就是单倍体。对于植物,可以用花药培养法来获得单倍体植株。单倍体再经过秋水仙碱处理诱导染色体加倍,又成为二倍体。花药培养法主要用于植物杂交育种的后代培育。杂交子一代先培育成单倍体,再诱导加倍,它的全部基因都是纯合的,其后代不再发生孟德尔式的性状分离,可迅速稳定遗传性,成为一个新品种。
  
  二倍体经诱导染色体加倍,就成为“四倍体”。四倍体植物一般茎粗、叶大、花大、果实大,在生产实践中颇有利用价值。但四倍体植物的种子少,不适合利用种子的农作物(如禾谷类)。
  
  二倍体与四倍体杂交,可以得到“三倍体”。三倍体的减数分裂不正常,不能产生种子。无籽西瓜就是这样杂交得到的三倍体。香蕉是自然产生的三倍体(其祖先也可能是由二倍体与四倍体杂交而来)。
  
  

染色体的结构变化包括缺失、重复、倒立和易位。
  
  如右图所示,1、缺失(缺失中间黄色所示的一段);2、重复(中间红色所示的一段重复);3、倒位(绿色与红色所示的一段倒转180°);4、易位(下面较短染色体蓝色的一段移接到上面较长的一条染色体上)。
  
  人类的许多遗传病都是由染色体的结构变化引起的。