用基因调控理解生命现象

  基因的化学本质是DNA,基因决定着遗传。基因的这种决定作用是如何实现的?遗传学家发现,基因的决定作用是否得到实现还受到其它基因的调控。从而,许许多多的生命现象,都在基因调控的基础上得到更深入、更完整的理解。

操纵子学说的基本内容

基因调控概念的历史渊源
  摩尔根的基因调控思想
  麦克林托克的“控制因子”
  昆虫激素与基因调控

 操纵子学说的诞生
  二次生长现象
  乳糖酶的来源之谜
  多学科的综合研究
  酶的合成与基因调控

操纵子学说的基本内容

  1961年,法国科学家莫诺(J·L·Monod,1910-1976)与雅可布(F·Jacob)发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文,提出操纵子学说,开创了基因调控的研究。四年后的1965年,莫诺与雅可布即荣获诺贝尔生理学与医学奖。
  
  莫诺与雅可布最初发现的是大肠杆菌的乳糖操纵子。这是一个十分巧妙的自动控制系统,这个自动控制系统负责调控大肠杆菌的乳糖代谢。
  
  乳糖可作为培养大肠杆菌的能源。大肠杆菌能产生一种酶(叫做“半乳糖苷酶”),能够催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖,以便作进一步的代谢利用。编码半乳糖苷酶的基因(简称z)是一个结构基因(structural gene)。这个结构基因与操纵基因共同组成操纵子。操纵基因受一种叫作阻遏蛋白的蛋白质的调控。当阻遏蛋白结合到操纵基因之上时,乳糖会起诱导作用,它与阻遏蛋白结合,使之从操纵基因上脱落下来。这时,操纵基因开启,相邻的结构基因也表现活性,细菌就能分解并利用乳糖了,这样,乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生的诱导物。
  
  上述内容表明,大肠杆菌的乳糖操纵子是一个十分巧妙的自动控制系统:当培养基中含有充分的乳糖,同时不含葡萄糖时,细菌便会自动产生半乳糖苷酶来分解乳糖,以资利用。当培养基中不含乳糖时,细菌便自动关闭乳糖操纵子,以免浪费物质和能量。
  
  60年代中期,在操纵子中还发现了另一个开关基因,称为启动基因(promoter)。启动基因位于操纵基因之前,二者紧密相邻。启动基因由环腺苷酸(cAMP)启动,而环腺苷酸能被葡萄糖所抑制。这样,葡萄糖便通过抑制环腺苷酸而间接抑制启动基因,使结构基因失活,停止合成半乳糖苷酶。
  
  由此可知,结构基因同时受两个开关基因——操纵基因与启动基因的调控。只有当这两个开关都处于开启状态时,结构基因才能活化。当培养基中同时存在葡萄糖和乳糖时,葡萄糖通过抑制环腺苷酸而间接抑制启动基因,并进而抑制结构基因,使细菌不产生半乳糖苷酶。这种情况下,细菌便会自动优先利用葡萄糖,因为葡萄糖果是比乳糖更好的能源。
  
  1969年,贝克维斯(J·R·Beckwith)从大肠杆菌的DNA中分离出乳糖操纵子,完全证实了雅可布和莫诺的模型。

尔根的基因调控思想

  基因调控概念的历史渊源,最早可以追溯到遗传学的奠基人之一摩尔根在30年代的一篇演讲。1933年,摩尔根以染色体遗传理论和基因学说荣获诺贝尔生理学医学奖。但他忙于研究工作,未去参加授奖仪式。次年6月,他在斯德哥尔摩作了题为“遗传学对医学和生理学的贡献”的演讲。在这篇演讲中,摩尔根首次提出了富于魅力的基因调控概念。他说:“卵是未分化的细胞,它经过一系列已知的预定变化,分化成器官或组织。在每次卵裂中,染色体纵裂,均等无误地分成两半,包含在各个细胞中的基因类型也完全相同。既然如此,细胞却分化成肌腱,分化成神经元,或分化成生殖细胞,是什么原因呢?”为了解决这个细胞的遗传物质基础相同却为何向不同方向分化的疑难,摩尔根提出了基因调控假说:“随着胚胎通过发育的各个阶段,不同的基因群相继活动起来。这种先后顺序可被假设为基因链本身具备的一种自动控制特性所决定。可以认为,在卵的各部分影响的基因是不同的。因此,可以推测由基因控制的最初反应的生成物将对其周围细胞质产生影响。而发生了变化的细胞质又反过来作用于基因,使别的基因群活化。如果事实是这样的话,也许就可以圆满地描绘出发育过程的机制。”同一年,摩尔根出版《胚胎学与遗传学》一书,又一次阐述了这一观点。
  
  早在50多年前,就能如此正确地提出基因调控及其与胚胎发育过程中细胞分化关系的概念,真是令人惊异!摩尔根最初研究胚胎学,后来转而以果蝇为实验材料研究遗传学。在这两个领域都有坚实的基础,加上深邃的洞察力,使摩尔根能够用基因调控假说把遗传学与胚胎学联系起来。早在1926年,摩尔根长期以来形成的胚胎学与遗传学相联系的思想,使他在科学史上首次提出了基因调控概念。
  
  摩尔根在30年代就提出的基因调控概念在此后10多年中未引起科学界的充分注意。也许,是这一概念在时代上超前了;也许,是摩尔根本人提出的基因学说的夺目光辉掩盖了他自己提出的当时尚不足以引人注目的基因调控假说这一颗小星星的光芒。后来,美国的著名遗传学家、诺贝尔奖获得者麦克林托克(B·McClintock)回忆说,40年代,在大多数遗传学家中间,“控制的思想甚至连想都没有想过。”

麦克林托克的“控制因子”

  麦克林托克的这句话也许说得过分了一点。事实上,1943年斯特曼(E·Stedman)等人就提出组蛋白的发育与分化过程中起基因抑制剂的作用。
  
  1944年,著名物理学家薛定锷在《生命是什么?》一书中提到“开关基因”(switch genes),可惜他未作进一步的说明。
  
  对麦克林托克来说,基因作用是如何被调节这个问题也始终是一个紧迫问题,她说:“我觉得,如果你看一看整个生物体以及它是如何发育的,那么那些我们称之为基因的东西恰恰不得不被调控着。”长期与麦克林托克在同一幢实验楼工作的威特金(E·Witkin),日复一日地仿效着麦克林托克的研究,终于也感到能够像麦克林托克那样“实际看见基因在一定的时间里开闭。”
  
  40年代末期,麦克林托克提出“控制因子”的概念。控制因子可以调控其它功能基因(现在称为结构基因)的活动。玉米中的某些控制因子也是一种转座因子,能够从染色体的一个位置跳到别一个位置,甚至从一条染色体跳到另一条染色体。这就是说,转座因子是一种跳跃基因。玉米中的这种因子除了具有跳动的特性之外,还具有控制其它基因开闭的作用。它可以插入到玉米染色体上的颜色基因(编码花青素合成酶的基因)附近,控制颜色基因的开闭。这些控制因子跳得如此之快,使得受它们控制的颜色基因时开时关,于是玉米籽粒上便出现了斑斑点点。玉米中的控制因子可以调控颜色基因的活动,这使得摩尔根最先提出的基因调控假说落实了。
  
  麦克林托克的控制因子学说,上承摩尔根,下启莫诺与雅可布,对后者提出细菌操纵子学说有不可否认的影响。1947年8月在美国冷泉港召开的学术会议上,麦克林托克曾与莫诺讨论过有关问题,他们会见时的照片,至今仍屡见于有关基因调控的书藉中。
  
  50年代初,斯特曼(E·Stedman)、索内本(T·M·Sonneborn)和米尔斯基(A·E·Mirsky)都曾发表过专门的论文,进一步发展了摩尔根最初提出的从基因调控解释细胞分化机理的思想。

昆虫激素与基因调控

  1960年,克列瓦(Clever)和卡尔逊(Karlson)在摇蚊幼虫中观察到,昆虫激素蜕皮酮能诱发唾腺染色体上一定部位膨突的出现,预示幼虫将要化蛹。这一实验结果提供了一个由激素来调控具有特定作用基因位点活动的模型。某些基因的活动可以受到激素或其它基因的调控,这一概念就成为莫诺和雅可布提出操纵子学说的前奏。

二次生长现象

 

  如同所有重大科学发现一样,操纵子学说是许多杰出科学家智慧的共同结晶。然而,其中贡献最大、对该理论的形成自始至终起决定作用的是莫诺。
  
大肠杆菌二次生长现象  莫诺很早就与遗传学结下了不解之缘。1936年夏,他曾到世界遗传学中心——摩尔根的实验室进修过一年。尽管如此,莫诺的科学生涯却不是从遗传而是从微生物生理学开始的。他从1937年起开始以大肠杆菌为材料,研究细菌的生理问题,不久即发现了细菌的二次生长现象:当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基上生长时,细菌首先利用葡萄糖,葡萄糖用完以后才开始利用乳糖。从生长曲线看,细菌生长经过一个上升期以后,出现一个停顿期,此时曲线呈现平坦、然后又出现第二个上升期。这就是说,细菌在利用乳糖之前,先要有一个“适应过程”。

  此后,莫诺围绕这一现象做了一系列研究。从表现上看,由于与利用乳糖有关的基因处在一个操纵子内,二次生长现象的最后解决必须靠操纵子学说,所以,莫诺从一开始就“歪打正着”,走上了发现操纵子学说的必由之路。
  
  1943年,莫诺从文献中查到,卡斯特罗姆(H·Karstrom)在1930年就发现过类似的现象。卡斯特罗姆认为,细胞中利用葡萄糖的酶无论何时都在不断的产生,因此它在细胞中能维持一定的浓度,好像细胞的一种成分一样,称组成酶。而利用乳糖的酶在细胞中仅恒量存在,只有当作为底物的乳糖存在时才会促进它的生成,这种酶称适应酶(现在通称诱导酶)。1938年,尤金(J·Yudkin)用质量作用定律解释适应酶的产生。他指出,不管是组成酶还是适应酶,它们在形成时要经过一个“前体”阶段,前体只有经过激活以后才能转变成有活性的酶。莫诺从中受到启发,马上想到:分解葡萄糖和分解乳糖的两种酶可能来自同一个前体。一般情况下,向分解葡萄糖的酶的转化占优势,当葡萄糖用完以后,则有利于向分解乳糖的酶的转化。但他错了。
  
  从生理的角度研究二次生长现象已很难深入下去了,从1943年底起,莫诺开始探索新的途径。当时,正是微生物遗传学方兴未艾之时。1944年,艾弗里(O·T·Avery)发表了关于细菌转化物质的文章,提出DNA是一种转化因子,因而是遗传的物质基础。卢里亚( S·E·Luria)和德尔布吕克(M·Delbruck)发表了关于细菌自发突变的论文,将数理统计方法、逻辑推理及实验手段有机地结合在一起,其结果严密而明确。这些成果使莫诺眼界大开,很受启发,从此,莫诺的兴趣转向了微生物遗传学。他抓住乳糖酶的适应现象不放,筛选出了一种突变菌株,这种菌株对乳糖的适应期比原菌株更长,从生长曲线上看,它的停顿平坦部明显延长。莫诺证明,细菌中适应酶系统是受分散的、特异的、稳定的(即遗传的)决定子所控制的。1946年夏,莫诺随洛夫参加“微生物的遗传和变异”冷泉港专题讨论会。在会上,莫诺的工作作为洛夫细菌营养突变报告中一个重要的例证介绍给大会,立即引起了与会者的兴趣。莫诺被邀请于下一年到冷泉港专门讨论“生长问题”的会议上作专题报告。
  
  同行的邀请无疑是对莫诺的一种褒奖与鼓励,为此,他对二次生长现象进行了一次全面的总结和思考。经过这次总结,使他认识到二次生长的机制问题,中心是要搞清适应酶形成过程中诱导底物的作用,即诱导底物是影响酶分子形成的全程呢,还是仅仅激活前体而已。如果是影响全过程,那么诱导底物是如何与特异基因(或基因群)相互作用的。1947年,莫诺在冷泉港会议上以“酶的适用现象及其在细胞分化中的意义”为题,报告了他的观点。从此,莫诺开始从新的角度探讨二次生长现象。二次生长现象也就由一个生理学问题,变成了遗传学和生物化学问题。

乳糖酶的来源之谜

  莫诺开始纯化乳糖酶,这一工作由于1948年底科恩(M·Cohn)的到来而相得益彰。莫诺本人擅长于生物化学,而科恩则是免疫学专家,所以他们很快就得到足够分析用的乳糖酶。在研究酶的催化活性时,他们发现,这种酶不仅能分解乳糖,还能分解别的含β-半乳糖苷的化合物。显然,这种酶并非绝对专一而好像是基因专一的。因此,他们将其更名为β-半乳糖苷酶。深入研究以后,他们又发现,若半乳糖苷中的一个氧原子被硫原子取代,则β-半乳苷糖就不能酶分解。然而,这种化合物却可诱导β-半乳苷酶的产生。另一个发现是,β-半乳苷糖的一种底物苯基-β-D-半乳糖苷,却没有诱导β-半乳糖苷酶产生的能力。这说明,诱导物不一定是底物,底物也不一定是诱导物。既然底物不能诱导细菌产生相应的酶,而非底物却能诱导细菌产生这种酶,那么,酶产生的过程不是适应过程,适应酶的说法是错误的,把诱导与适应混为一谈也是错误的。
  
  为了探明酶究竟是从前体转变而来的,还是重新由氨基酸合成,莫诺、科恩与许多研究者合作,应用遗传学、生物化学、免疫学、同位素示踪等手段,进行了大量工作。首先,他们筛选出氨基酸营养缺陷型菌株,然后,先让其在含不带放射性标记的氨基酸培养基上生长,然后再转接到含诱导物和带放射性标记氨基酸的培养基上。经诱导产生β-半乳糖苷酶后,将其纯化,检测。若酶是由前体转化而来,那么,一般它不会带有放射性标记。若酶是重新合成的,那么,由于新的带放射性标记的氨基酸参与,酶就会带有放射性标记。结果证明,β-半乳糖苷酶是诱导后合成的“全新”分子。诱导动力学研究也证实了这一结论。

多学科的综合研究

  事实上,莫诺和科恩此时所做的工作只用某一学科名称(如生物化学、免疫学、生物物理学)来标定已经不确切了,他们的工作是这些学科的综合,即分子生物学。在这段时间里,莫诺发现了另外两种与乳糖代谢有关的酶,一是β-半乳糖苷渗透酶,这是一种与细胞膜结合的酶,与乳糖的吸收有关;二是β-半乳糖苷转乙酰酶,与半乳糖的代谢有关。这两种酶和β-半乳糖苷酶同时被诱导物激活,似乎表明,合成这三种酶的基因是紧密相邻的。莫诺这段时间的工作遗传学味道还不够浓,所以,他还不能回答诱导是如何进行的问题。
  
  1946年,莫诺第一次参加冷泉港会议时,里德伯格(J·Leberberg)和塔特姆(E·Tatum)报告了细菌的有性繁殖现象,指出细菌通过接合而发生基因交换,从而为细菌的遗传学研究开辟了新途径。1953年,赫斯(W·Hayes)报告他筛选到一株能高频率地发生基因重组的大肠杆菌。从此,这一菌株被各研究机构广泛使用,细菌杂交工作比以前要容易多了。后来,雅可布和沃尔曼(E·Wollman)发现,细菌有类似“雌性”和“雄性”的区别,细菌杂交其实是供体菌将基因导入受体菌的单向过程,供体菌的胞质则并不进入受体。如果用机械的方法,破坏供体菌和受体菌的接触,则会中断杂交,使正在转移中的细菌“染色体”断裂。断裂发生得越早,进入受体菌的基因就越少,受体菌的部分合子片段就越短。至此,细菌遗传学进入鼎盛时期,基因定位、细菌的染色体图等工作蓬勃展开。在卓有成就的研究人员中,刚刚改行不久的雅可布尤为引人注目。他是一位思想活跃又长于实验的青年,对微生物遗传学怀有浓厚的兴趣。1950年,雅可布慕名投奔巴斯德研究所,在其导师洛夫(10年前曾指导过莫诺)的指导下脱颖而出,不久即在许多方面处于世界领先地位。

酶的合成与基因调控

  遗传学研究由于巴笛(A·Pardee)的加入而掀起了第一个高潮。巴笛也是对二次生长现象感兴趣的生物学家,1957年秋,他开始休年假,因而,他能全力以赴地从事这项工作。巴笛9月份从美国伯克利加州大学来到巴黎,与莫诺、雅可布共同设计了一套实验。他们应用了两种突变型:(1)不能合成β-半乳糖苷酶的突变型,若以Z+代表合成β-半乳糖苷酶的基因,则该突变型为Z-;(2)不需诱导物即可合成β-半乳糖苷酶的突变型,若影响诱导性能基因以I+表示,则丧失诱导性而变为组成型的突变型以I-表示。遗传学实验以Z+I+为供体,以双重突变型Z-I-为受体,杂交结果是:酶的合成从约3分钟后开始至115分钟停止,此时如果加入诱导物,酶将继续迅速合成。反之,若以I-为供体,以Z+I+为受体,则杂交后受体细菌仍然是诱导型。由此可见:(1)基因I+为显性,I-为隐性;(2)诱导性的丧失并不是基因I-的直接作用,而是缺少基因I+的结果;(3)I+基因进入受体细菌后并未马上发生作用,说明影响诱导性的是I+基因的产物。
  
  I+基因的产物是怎样影响诱导性的呢?可能有两种解释:(1)I+基因决定着一种能破坏诱导物的酶的合成,这种诱导物是通过一条独立的途径产生的;(2)I+基因决定着一种阻遏物的合成,而I-等位基因不能产生这种阻遏物或该阻遏物没有阻遏活性。莫诺早先持第一种解释,1958年美国核物理学家西纳德(L·Szilard)访问巴黎,向莫诺谈到了第二种解释。第二种解释将控制机制描绘成诱导和阻遏系统的机制,显得简洁、明了,更符合逻辑。莫诺立即采纳了西纳德的主张。不久,又将诱导基因I改称为调节基因I。
  
  阻遏物是怎样控制酶的合成的呢?雅可布认为,阻遏物的作用是封锁结构基因的表达,在结构基因附近存在着负责打开或关闭结构基因的基因,阻遏物的控制作用也就是阻遏物与这种基因的作用,雅可布在一次与莫诺的讨论中提出了这一想法。莫诺凭当时的直觉,认为阻遏物的作用是在基因以下的水平进行的,从未想过在功能上有比结构基因更高级的基因。但雅可布的假设却不无道理,于是莫诺和雅可布共同设计了一些实验来验证这一假设。他们早就得到过一种超阻遏突变株Is,这种突变株虽然有结构基因存在,却不能被诱导产生酶。而且Is对I+、I-都呈显性,即Is/I+s/I-都呈超阻遏型。后来,他们又筛选到一种I基因并未改变的组成型突变株,把这种突变株与Is杂交,得到的是组成型(这进一步说明该突变株不是由于I基因突变引起的,否则杂交菌株Is/I-应是超阻遏型)。可见,还有一个基因与酶的诱导有关,他们称之为操纵基因0。阻遏物的作用就是与操纵基因结合关闭了由它控制的结构基因。如果操纵基因突变成0C,阻遏物不能与之结合,所以Is0+/I+0c为组成型。大量实验表明,操纵基因0在基因I和基因Z之间,且紧挨着基因Z。在Z的另一侧,还有β-半乳糖苷渗透酶基因Y和β-半乳糖苷转乙酰酶基因A,于是0-Z-Y-A构成了一个操纵子。
  
  从操纵子到蛋白质的过程是怎样完成的呢?莫诺认为,中间有一个RNA阶段,受调节基因和操纵基因的调控,DNA上的结构基因首先转录成RNA,然后由RNA在核糖体上指导蛋白质的合成。这种RNA,不像核糖体RNA,而是一种不稳定的可溶性大分子,一旦完成任务即迅速分解。由于它是将DNA的遗传信息传给蛋白质的传递者,所以被称为信使RNA(mRNA)。
  
  对乳糖操纵的探索走过了一个漫长的历程至此告一段落。最后,题为“蛋白质合成的遗传调节机制”的论文,据说由莫诺执笔,1960年12月完稿,1961年发表。
  
  1960年,克列瓦和卡尔逊发现象昆虫激素可以调控特定的基因活动。1961年,雅可布和莫诺的操纵子模型则形成了一个完整的基因调控学说,给生命科学提供了新的观点、新的概念、新的思想方法和新的研究方法。
  
  许许多多的生命现象,都在基因调控的基础上得到更深入、更完整的理解。基因调控提供了一个框架,将形形色色的生命现象统一起来,导致了生命科学的一次新的大综合。