遗传和发育基因紧密地结合

  任何复杂的生命体都是由最简单的形式发育而来的。达尔文的“所有的生命来自于一个共同祖先”的命题至今仍具有震撼人心的力量。比如人类,由一个受精卵发育成了不同的器官和组织。基因决定了这一切。从而,遗传和发育紧密地结合在一起。

 发育之谜

 同源异形基因

 寻找发育基因
  果蝇的双胸与双腹突变
  沃哈德与韦乔斯开始合作
  探索研究方法
  果蝇的发育基因
  发育基因在生物界的普遍性

从果蝇到斑马鱼

成功的启示
  发育与遗传的联盟
  对简单性的追求
  原创性思维的价值

   

发育之谜

  “熊在冬天交配。几个月后,母熊隐退到洞穴中去产仔,产出三或四个幼仔。在出生时,这些幼仔是不成形的肉团,只发育出了爪,母熊把它们舔成了熊的形状。”这一近乎传奇的说法是老普利尼(Caius Plinius Secundus,罗马博物学家,公元23-79年)的猜测,反映了人们对发育现象的困惑和追究。熊在冬眠前怀孕,由于哺乳动物的胎儿不能将丰富的脂肪酸转化为能量,如果熊的胎儿在孕期仍像一般的哺乳动物那么生长,母熊在冬眠期间又无法通过摄食得到能量补充,那它就只能靠消耗体内的蛋白质来供给胎儿的发育,换句话说,消耗自己的肌肉组织。但这样的话,对母熊将是致命的。所以,孕期被缩短了,胎儿还未充分发育就被生了出来,看似一个“不成形的肉团”。但这个“肉团”在母体外发育成熊的形状,却并非母熊舔成,而是通过基因控制之下的一系列发育过程而达成的。  
  17世纪,荷兰科学家斯旺默丹(Jan·Swannerdam,1637-1680)提出每个精子中带一个小人,精子在雌性子宫的保护和培养下可以成长为婴儿,这就是所谓的“先成论”(theory of preformation)。瑞士学者C·Bonnet(1720-1793)是这种先成论的代表,他认为精子或卵子里已存在有完整的小生物体,个体发育只不过是精卵相互相合后,这个小生物体逐渐增大,最后发育为成体。  
  相反的观点是以瑞士解剖学家V·Kolliker为首提出的渐成论(theory of epigenesis),主张婴儿各种组织器官是在个体发育过程中逐渐形成的。这两种相反的观点曾进行过长期论战,最后以渐成论的胜利而告终。确实,所有的生命最初都来自于一个单细胞,然而它们的成体却迥然相异,是什么因素在主宰着这一神秘之链的开启或关闭?这就是发育之谜。

果蝇的双胸与双腹突变

  发育现象肯定受遗传基因的控制。由此看来,基因主要担负两大功能,决定某一具体性状的表达,比如开红花还是开白花;在合适的时间、合适的地点启动或关闭基因的表达。前者是经典遗传学,后者就是发育遗传学。
  
  如果说,经典遗传学的发展,已大大拓深了对基因的第一类功能的认识,那么,对基因自身的调节机制,发育遗传学仍是一筹莫展。胚胎学已经提示,刚受精的卵是一个球形。它迅速分裂成为2个、4个、8个,直到16个细胞时期,胚胎还是对称的,其中所有的细胞都是相同的。以后,细胞开始分化,胚胎变得不对称,具有头尾之分和背腹区别,再后形成体节,每个体节还会经历不同的发育过程,这取决于它们沿着头尾轴所处的位置。从遗传学的角度来看,究竟是什么基因控制了这些事件的发生?它们有多少?它们是相互协作的还是彼此独立的?一系列的问题都有待解决。显然这还是一片有待开垦的处女地。
  
  不过,前人已有若干足迹留在这片充满魅力的土地上。这就是双胸(bithorax)和双腹(bicaudal)突变的发现。正常的果蝇胚胎是一个长形卵,不久它们沿着一条轴划分为明确的节段。胚胎的一端分化为头部,另一端形成腹部。可是在双胸突变中,胚胎两端都分化为胸部,而在双腹突变中,胚胎两端都分化成腹部。此外还有一种突变,它会造成果蝇出生时长有两对翅膀,即在本该长有平衡棍的地方,竟也长出了翅膀,这就是“同源异形”突变,这种突变最初由摩尔根和他的学生布里奇斯于1915年发现。美国遗传学家刘易斯(E·B·Lweis)对这一现象作了深入细致的研究。

沃哈德与韦乔斯开始合作

  上述突变现象以及从遗传学的角度所提出的问题,深深地吸引了当时还十分年轻且默默无闻的女科学家沃哈德(C·Nǘsslein-Volhard)。她想知道在这些突变的背后,究竟蕴藏着什么样的机制,它又是如何控制发育过程的正常进行的。在1973年的一次会议上,沃哈德遇见了吉林(Walter Gehring),她鼓足勇气向他询问有关双腹突变的问题,并要求到他在巴塞尔的实验室工作。1975年,沃哈德如愿以偿来到那儿。正是在巴塞尔,沃哈德与美国遗传学家韦乔斯(Eric Wieschaus)相遇。当时沃哈德已获得博士学位,正在学习果蝇发育遗传学并以此作为博士后研究课题;韦乔斯则刚好完成他的博士论文(在吉林指导下)并准备前往苏黎世从事博士后工作。两人都同样对发育问题着迷,后来他们在EMBL(欧洲分子生物学实验室)找到了工作。在这之前,沃哈德曾向EMBL提出过申请,但未获批准,因为EMBL认为她缺乏独自建立一个果蝇实验室的能力。也许是由于韦乔斯在遗传学方面更富有资历吧,他们的共同申请获得了成功。这使得沃哈德一开始就存在一种必须依赖韦乔斯的感觉,对于一个富有才华且有个性的研究人员来说,这种感觉当然不妙。但随着工作的展开,他们的合作逐渐走上正轨,他们的事业终于成为一个不可分离的整体。甚至在韦乔斯离开巴塞尔去苏黎世,沃哈德前往弗雷堡从事第二份博士后工作后,他们在学术上仍保持密切联系。
  
  值得指出的是,在这一成功合作的背后,EMBL也起到了重要的作用。EMBL的管理思想就是尽可能多地吸引有才华的研究人员,给他们以充分的自由,并高度尊重独创性的研究。故此,两人有一个小小的实验空间,他们没有教学责任,也没有论文写作任务,更无须受教授指导。正是在这一宽松的环境中,他们成为朋友。由于两人都有强烈的个性和专业才能,那也许很容易使他们走上独立的研究道路,但最终他们还是凭着兴趣走到了一起。
  
  沃哈德和韦乔斯最早的兴趣,是有关胚胎的广泛的形态学问题,然而受双腹突变的影响,他们很想研究卵子形成中发育的形式(pattern)是怎么受母体效应基因影响的。因为当时已经知道,影响胚胎头腹分化的因素存在于卵母细胞质中,而卵母细胞质的不同浓度又是由其上代基因所决定,所以,这就是一种母体效应基因突变。他们猜测,分节(segmentation)则可能需要合子活性基因的表达。于是,他们共同提出了一系列关键性的问题:胚胎膜式、节段的数目和特定类型是如何被决定的?它们如何随着时间而分化?母体效应基因与合子基因各自在发育中提供了怎样的关键信息?更为重要的是,是否有可能通过研究突变来确定这些基因的存在?

探索研究方法

  纵观科学史,一些关键性的突破往往取决于概念框架的更新,而不是经验事实的积累。在今天,胚胎的早期分节与成体中结构的关系似乎已成定论。然而在当时,几乎无人相信在这条道路上探索能有所收获。由于分子生物学的思想和方法已经成为热点,在沃哈德周围的人大多热衷于DNA研究,去克隆一些有趣的基因。说到研究胚胎突变问题,他们认为,无非是搜索卵和观察描述胚胎发育过程,这是多么乏味陈旧的工作。更由于实验手段尚不成熟,致使在活的胚胎中,难以看到关键结构的形成,如节段和极性等。砍柴先须磨刀,因为相应的方法还未就绪,也使一些人不愿问津这个领域。
  
  然而,沃哈德和韦乔斯却以初生牛犊不怕虎之勇气,闯入了一个荆棘丛生但魅力无穷的新领域——发育遗传学。他们有一个坚定的信念,这就是可以通过研究突变胚胎来理解果⒂?BR>  
  在经典遗传学中,突变是探明某一基因存在的关键线索。对基因功能的证实只能从突变的表现型中推断出来。比如,正是通过对白化病症状的分析,才使我们有可能知道存在着一种控制色素合成的基因,由于它的突变,才导致白化病的产生。由此可见,整个基因组的信息就好比是一个黑箱,对其结构功能的探索,只能通过它的外在表现——突变才能获知。
  
  然而,突变的自发产生是一个低概率的事件。这也可以想像,如果自然界中存在着频繁的基因突变,那么也就不会有今天如此稳定的生物种类,更何况大量的突变对生物体本身是有害的。于是,要通过突变作为探针来获知正常基因的功能,只能以各种人为手段来提高突变率,这就是X射线或化学诱变剂的应用。实验的第一步就从这里开始,他们以化学诱变剂处理雌果蝇,观察其后代所发生的基因突变,由此寻找正常基因的功能。
  
  由于受双腹突变的诱惑,沃哈德和韦乔斯一开始就企图确定在卵子形成中发育的形式是如何被母体效应基因所决定的。但不久,他们就意识到,研究母体效应基因的工作量实在太大,因为那意味着对基因的跟踪筛选要涉及到3代以上。于是,他们很快调整了策略,决定从对合子的突变研究开始,这样工作相对容易展开。不过整个发育过程,究竟涉及多少基因,当时还无人知晓。一般的猜测认为,那数量一定可观,这就足以使不少人望而生畏了。


果蝇的发育基因

  他们的筛选逻辑是简单的。影响胚胎形式和节段数目的基因突变,常会导致胚胎死亡,这就有可能通过对死亡的胚胎的观察,来寻找突变所造成的效应,并推断出正常基因的功能。因为胚胎发育是一个有序的整体过程,其中的每一个环节都前后响应。故此应当找出所有负责胚胎形成的基因,而不是满足于研究一个或两个突变,这就是饱和筛选法,也就是说他们把胚胎发育过程看作一个级联(cascade)的复杂反应。因此要了解这过程,必须预先把有关基因全部找齐。若是没有这样的思路,他们的工作就不可能如此富有成效。正如我们现在所知道的,他们通过饱和突变法所确定的基因,已被证明在胚胎的逐步发育中协调工作,并支持着果蝇的全部发育。然而这却意味着,他们所做的筛选将涉及到数千个突变基因,其中的每一个都会导致果蝇在生命周期的某一个环节死亡,然缶褪撬蜒八劳雠咛サ穆巡⒀罢曳纸谌笔АN耍腔股杓瞥鲆恢中碌姆椒ǎ古咛ケ涞猛该鳎庋秃苋菀准ㄋ堑姆⒂问健?BR>  
  从1979年的秋天到1980年的夏天,沃哈德和韦乔斯建立了近2700个自交系,其中有4332个引起胚胎致死的突变,580个引起胚胎表型的突变,在有5000多个涉及到的基因中,有139个起决定性作用。一年中,两人(在实验后期又有一个博士后加入到了他们的研究)相对而坐,日复一日,在显微镜下仔细观察了数千个死亡的果蝇胚胎。他们用的是一种特殊的双式显微镜,使得两人可以同时观察同一个胚胎。因为他们的目标是要找到每一个与发育有关的基因,故涉及的数目极为巨大。重要的是,还要仔细描述异常胚胎的表现型,给出线索,说明发育的哪一步是错误的。正如沃哈德后来所回忆的,“它是极为困难的,但又非常激动人心。它还充满乐趣,因为许多有趣的发现源源不断。”
  
  这种繁琐、枯燥的观察工作,有时也会被富有挑战性的讨论所打断。他们经常争论某种突变胚胎是由哪种新的突变所造就,或一个基因如何具有相关功能。靠近EMBL的一家农家餐馆也成了他们经常讨论的场所,因为他们经常在这里用餐。他们总共对2万多只突变果蝇进行研究,其中包含了4万个突变性状。在筛选了果蝇近一半的基因之后,从中鉴定出15种不同的影响分节的基因(现已扩展到25个),另外再加上50个左右影响发育程式其它方面的基因,正是它们控制着果蝇胚胎的早期发育。当这些基因突变时,就会引起发育的种种畸变,导致节段数目的减少或是重复,产生有缺陷的节段等。
  
  实验结果使他们相信,胚胎发育源于一个简单的开端。尤为重要的是,结合仔细的观察和天才的推论,他们得出结论,控制体节发育的基因有三类,它们是间隙(gap)基因、成对(pair-rule)基因和节段极性(segment-ploriry)基因,它们负责体节的形成及精细划分。
  
  其中间隙基因先将胚胎沿着头尾纵轴分成若干体节,该基因的突变将会造成整组相邻节段的消失;然后是成对基因将每个体节再一分为二,这些基因的突变会引起每两体节中有一段被损坏,因而这种突变体胚胎的节段数只有正常时的一半。最后,节段极性基因决定每一节段的发育模式,节段性基因的突变不会影响体节的总体数目,但会造成节段原型的构造异常,每一节段上都有部分缺失和镜像重复。
  
  由这三类基因所控制的胚胎早期发育,是一个环环相扣、前后呼应的过程。首先,间隙基因的激活及其表达模式,受母体提供的转录因子所控制,那正是母体效应基因的产物;成对基因所控制的模式,有7条带,每一条都受间隙基因产物的激活;最后,成对基因的转录产物又控制了节段极性基因的激活。这就像是一列多米诺骨牌被推倒时的情景。若以绘画来作比方的话,间隙基因就是先在一张白纸上描出大致轮廓,在此基础上,成对基因负责画出草图,节段极性基因则绘出各种细节。发育就是这样一个从无到有、从粗到细的动态过程。
  
  这一研究成果发表在1980年英国的《自然》杂志上,立刻受到普遍关注。1980年10月30日出版的《自然》杂志的封面就是这三类基因相应的胚胎图谱。

发育基因在生物界的普遍性

  沃哈德和韦乔斯的工作首次证实,发育所涉及到的基因能被分成若干不同的功能区域。这是一个良好的开端,它激励了其他科学家在其它物种中去寻找相似的发育基因。随之就表明,相似或相同基因也存在于高等生物乃至人类当中,并且证明它们也控制着胚胎发育过程中体节的形成。
  
  然而,果蝇作为一种昆虫有相当特殊的性质,它在许多方面与脊椎动物不同,以致人们有理由提出怀疑,由果蝇中得到的结论能应用于脊椎动物吗?这就是经典方法的局限性,由它所得出的结论往往具有物种的局限性。
  
  所幸的是,DNA重组技术以及基因克隆手段的出现,允许对不同动物中DNA或蛋白质顺序进行比较,由此得到两个重要结果:1)可把基因控制的产物如转录因子、蛋白质激酶、信号分子等与其它动物作比较;2)在许多情况中,果蝇和脊椎动物蛋白质的相似性,不仅仅局限在它们的生化特性上,而且还扩散到发育过程中具有真正的同源功能上。
  
  从中得出的结论是惊人的:身体结构的基本特征,在不同动物中具有很大的保守性。这种保守性表明,存在着一个共同的、基本的身体结构模式,它起源于两侧对称的动物的祖先,可见调节机制有多么古老,它在进化上竟横跨6亿年之久。
  
  不久以后,分子生物学的克隆技术使得在分子层次上对突变基因的功能作出鉴定成为可能。许多基因产物是转录因子,于是就解释了它们如何控制随后的发育事件,这种控制过程与信号散布、接受或解释有关,借此,细胞才能彼此协调。现大约已有150个与发育有关的调节基因得到鉴定。

同源异形基因

  由于沃哈德、韦乔斯以及刘易斯的工作,现在我们对基因所控制的发育过程已有了初步的了解。生物体的发育都是从一个简单的模式演变而来。在这一过程中,间隙基因、成对基因、节段极性基因负责将胚胎体划分出不同的节段,而进一步的发育则受刘易斯所发现的同源异形基因的控制。
  
  据此刘易斯认为,果蝇的发育在其早期阶段曾出现过像千足虫那样呈直线排列的体节现象,这一体节本来只具有原始的功能。后来由于基因的突变,使某一个体节产生出了额外的构造,若这一构造对生存有利,它将在自然选择过程中得到保存,这就是生物体各种复杂器官的来源。但是万变不离其宗,复杂的构造原本起源于一个个相似的体节,这就是生物体中同源器官的存在以及各种外形迥异的生物体都具有共同模式的最终原因。如陆生脊椎动物全都拥有五趾型附肢,五趾肢由于适应不同的环境条件可以改变,例如成为鸟类的翼、牛马的蹄等。此外,人的肌肉系统也是由各个原始体节演化而来,这种原始分节现象的痕迹尚存于腹肌之中,从健美运动员的身上可以有所反映。
  
  根据这一理论,我们就可解释,果蝇为什么会长出两对翅膀,那是由于某种原因,该产生平衡棍的基因,其功能被抑制了,于是,在起源上更为古老的翅膀基因就开始活动,从而在本不该生出翅膀的地方却长出了翅膀,也许人类中所谓“返祖遗传”现象也可由此得到解释。控制基因的功能得以正确表达的机制就是同源异形基因的存在。由于它的突变,就会导致生物体的器官长错位置。
  
  但是,刘易斯的工作只是对节段结构上的异常作了探讨,并未解释最初的分节又是如何启动的,刘易斯对他30年来在经典遗传学上关于节段构造异常——同源异形基因的研究于1978年作了较详细的总结,无疑他的工作启发了沃哈德和韦乔斯的研究。有趣的是,分子生物学家通过DNA克隆技术分离出刘易斯研究的影响节段结构的基因——同源异形基因和沃哈德等研究的节段数目基因,发现这些基因中有一段180对核苷酸的序列具有很大的保守性。故现在的分子生物学家把这类基因统称为Hox基因(同源异形基因)。从果蝇到人,它们的相似性达50%以上,甚至还有达到47%以上的。
  
  对同源异形基因的探索,现已成为发育生物学上的一个热点,它犹如一把钥匙,提示了生物在体制构造上的原始计划。

从果蝇到斑马鱼

  说是果蝇将沃哈德引入了发育遗传学的大门,但是在成功面前,沃哈德想得更深。毫无疑问,脊椎动物在进化上处于更高的层次,它具有的许多新的特性,在果蝇身上是无法得到体现的。若要揭示高等脊椎动物乃至人的发育机制的话,必须直接面对脊椎动物。
  
  如前所述,沃哈德和韦乔斯在果蝇发育遗传学中首创的饱和筛选法,曾是他们走向成功的关键。但是,若要将饱和筛选法应用于脊椎动物的发育研究,则面临着许多的困难。例如老鼠,虽已被大量应用于遗传学研究,但老鼠的胚胎却因深藏于子宫内而难以观察。因此,要利用饱和筛选法去研究脊椎动物的发育遗传学,必须寻找一种既适合于胚胎学又适合于遗传学的动物,斑马鱼即是这样一种理想的实验对象。
  
  斑马鱼起源于印度,为小型的热带鱼类,成体长约3-4厘米,孵出后约3个月可达性成熟。成熟的雌鱼每隔一周可产几百粒卵子,卵子体外受精、体外发育。其最大特点在于,胚体完全透明,便于观察胚胎发育的全过程,并且追踪个体细胞的分裂和迁移活动。
  
  斑马鱼最初用于遗传学研究。但是,它那优良的特性很快受到发育遗传学家的青睐。当时正在考虑面向脊椎动物作进一步研究的沃哈德,自然也把目光转向了斑马鱼。由于它的加盟,对斑马鱼的研究又进到了一个新的层次。
  
  斑马鱼共有25对染色体,若用饱和筛选法的话,沃哈德估计大约需要筛选一百万个以上的斑马鱼胚胎,才能达到和果蝇一样成功的结果。这样,当她在1987年开始研究斑马鱼时,她首先必须解决的,就是如何在实验室中饲养数百万条斑马鱼,这并不是一个比实验本身更容易解决的问题。所幸的是,他们花了5年的时间,终于取得了成功。
  
  在实验过程中,沃哈德和他的实验助手一起,在观察了120万个胚胎之后,筛选出了1300个具有明显异常表型的突变体,其中有些是在原肠胚形成时,细胞的移动出问题;有些表现出异常的体型;大多数缺陷则在发育后期出现,有的仅仅为一种结构(如脊索、脑或颌弓等)缺陷;有的缺陷则影响组织分化。这些研究为从分子水平进一步克隆相关的基因提供了前提。
  
  与果蝇相比,斑马鱼表现出了不同的特点。受精卵在卵裂之后形成一个三维体,从而不同于果蝇的三维体,同时也没有发现与间隙基因和成对基因相对应的突变模式,这也许意味着,果蝇在体节模式的形成上具有特殊之处,也可能表明,在鱼类中有这类基因的重复基因存在。此外,在鱼类中有大量的基因影响中枢神经系统和感觉器官的结构和功能,这在果蝇中较为罕见,表明脊椎动物的神经系统显然已大大进化。至1996年为止,沃哈德以及另一个小组在斑马鱼中已经确认了几千个新的突变,这些突变涉及到好几百个基因,它们可导致广泛的发育缺陷。另据1997年《科学》报道,美国国立卫生研究院(NIH)正在研究是否应该进行斑马鱼基因组计划。

发育与遗传的联盟

  在分子生物学的时代,沃哈德的成功,代表的却是另外一种经典研究的传统,这似乎有些意外,却在情理之中。所以,她的成功本身就能给予我们不少启示。
  
  首先就是发育与遗传的联盟。
  
  说起发育与遗传的关系,乃是一个渊源流长的话题。生命从最初的孕育到成为一个完整的个体,其中就包含了遗传与发育两个方面的内容。故此,一个完整的假说不仅要说明遗传机制,还要能兼顾发育现象,这就是孟德尔之前的生物学家所达到的共识。但是,当遗传与发育的机制本身尚处于迷雾之中时,两者的纠缠不清只能导致雾里看花的结果。所以,此路注定不通。
  
  另辟捷径的是孟德尔。在著名的豌豆实验中,孟德尔倾全力研究遗传因子,即基因在生物体中代代相传的规律,这就是分离规律和自由组合定律的诞生。他撇开了基因在胚胎中的活动规律,即器官分化的问题。所以,他是第一位现代意义上的遗传学家。也许这正是他遭到同时代人忽视的真正原因。因为当时的人们无法想象遗传与发育怎能井水不犯河水地独立进行研究。
  
  不过1900年之后,形势发生了急剧转变,孟德尔遗传学受到普遍欢迎,但由此也带来了一种思维定势,这就是遗传学家与胚胎学家各自划地为牢,双方都无暇顾及对方的研究。其实就遗传物质与性状表现的关系来看,研究基因在染色体上的定位以及基因所表达出来的性状,这是一个过程的两端,是遗传学处理的对象;而研究性状是如何得到表现的,这是一个过程的中间阶段,是发育学所面临的对象。现在,当遗传学与胚胎学都获得了长足的进步之后,遗传学与发育学的联盟就迫在眉睫。
  
  经典遗传学的思路,是将特定的基因与特定的性状联系在一起,如摩尔根在果蝇中找到的残翅基因、白眼基因等。现在,遗传学与发育学的结合就是将特定的基因与某一个特定的发育步骤联系起来,以阐述基因是如何调节发育过程的。而在这之前,尽管也有不少学者从事发育遗传研究,但那不是严格意义上的发育遗传学,因为他们都未能将发育中的特定事物与特定基因联系起来。
  
  沃哈德与韦乔斯研究的是胚胎发育中决定分节数目的基因,这些基因可分为如前所述的三类。这是对发育初级阶级的关键描述。通过这些工作,基因与发育步骤之间的对应关系得以真正确立,发育与遗传的研究重新被揉合在一起。
  
  说到这里,有一个问题值得引起我们深思。沃哈德的研究方法完全属于经典遗传学的范畴,饱和筛选法摩尔根也能做。但是,作为胚胎学家出身的摩尔根,为什么就不能捷足先登,率先促成胚胎学与遗传学的联盟呢?摩尔根一生研究的虽是果蝇遗传学,但他念念不忘的其实是胚胎学,他曾尝试性地触及过细胞是怎样被调节、被控制这样一个大问题,可以说这个问题以各种形式支配了摩尔根的整个一生。但令人遗憾的是,摩尔根始终未能找到一条将遗传与发育联系起来的正确途径。
  
  其中的症结也许在于,归根到底摩尔根仍不是一个真正意义上的遗传学家,他还是将发育看作为一个整体现象(就像孟德尔以前的遗传学家将所有的性状看作为一个整体一样),所以就无法理出一个新的思路,使基因同一个单独的发育事件联系起来。但尽管如此,正是摩尔根首先意识到了遗传学对发育的重要性,他第一次提出了发育是由不同基因活性所控制的假设。


对简单性的追求

  生命本身就是一个扑朔迷离、极为复杂的现象。有关复杂性的起源历来是一个富有魅力的话题。对于沃哈德来说,一个基本的哲学信念常常地吸引着她,那就是复杂必定源于简单!所有的生命体都有一个最基本的原始计划,这就是简单性得以存在的根本理由。
  
  沃哈德由衷倾慕的两位生物学家是歌德和达尔文,而在这两位伟人的身上,体现出的恰恰是这种对简单性的着迷与追求。作为诗人的歌德,在写诗之余,也曾致力于寻找植物中存在的原始类型,即植物发展的总方案。歌德设想,植物的原始类型方案是若干典型的叶子型,从种籽生出的叶子形状很简单,但后来长出的叶子就逐渐分化,变得越来越复杂,最后出现了花和果实。所以,花瓣和果实都只是变形的叶子。从植物胚胎学的角度来看,歌德天才的思辨是正确的。刘易斯在追溯同源异形概念的起源时,也曾提到歌德的名字,认为他在植物的变态中描述过这一现象。
  
  至于达尔文,他的进化理论至今仍是一颗熠熠夺目的珍珠。他那"所有的生命来自于一个共同祖先"的命题,具有震撼人心的力量,并且已被今天的分子生物学所证实。既然所有的生命都有一个共同的起源,这也正是简单寓于复杂之中的深刻背景。
  
  复杂源于简单,这不仅体现在进化的长河之中,也体现在个体生命的诞生过程中。当然研究后者更为简洁便利。这就是沃哈德深深着迷于发育生物学的缘由。
  
  沃哈德的工作专注于胚胎发育中梯度假说的研究。早在20世纪初,作为胚胎学家的摩尔根就提出一个假说,他假定有压力或物质从身体的前端(头部)到末端(尾部)呈梯度分布。这种压力或物质在头部最高,尾部最低。这是最早的一个梯度模型。后来波伐利(T· Boveri)也提出,从胚胎的一端到另一端,某种物质的浓度在增大或减少。正是这一浓度决定了细胞分化的命运。虽说梯度假说可以解释细胞如何"知道"它们在胚胎中的位置。但是,它却无法解释这一梯度的形成机制以及如何在一个足够长的时期保持稳定的理由。在由许多细胞组成的正在发育的胚胎中,细胞膜会阻止能够形成浓度梯度的大分子的扩散;反之在一个大的卵细胞中,扩散又会迅速调平这样一种梯度。更不用说,有关这种分子信号的生化本质和作用机理尚未知晓。
  
  然而,沃哈德却钟情于这种梯度假说,因为从中可以探索复杂性的起源。试想,以一种简单的化学浓度却可造就胚胎发育的复杂模式,这本身就足够让人动心。沃哈德和她的同事发现,最早阶段的果蝇胚胎中存在着Bicoid的浓度梯度。这种浓度在胚胎的头端最大,并沿着胚胎的纵轴逐渐降低。有一种突变体胚胎,它的Bicoid有相同的浓度而完全没有梯度,这些胚胎只产生一种结构(头或胸)。分子生物学的研究揭示,正是这种浓度引起或抑制一个或多个靶基因的转录,从而调节着发育过程。
  
  Bicoid的梯度形成是由于在胚胎发育时,这种蛋白质从它在头端产生的位点扩散开来的缘故。但Bicoid是不稳定的,因此它在远距离点--即在将变成腹部的末端--的浓度从未达到很高的水平,这就建立了一种浓度梯度。若把几种梯度叠加到一个胚胎区域,就能更加细分这一区域,并产生进一步的复杂性。可见,正是这种简单的扩散机理竟精确得足以满足正常发育的需要。
  
  果蝇的优点是,在它的发育初期,受精卵中的核不断地分裂,但细胞膜却不随之分裂,于是,造成了一个蔚为壮观的局面,其中一个细胞内有上万个核。由于没有细菌膜的阻隔,这就为分子信号的扩散提供了便利条件,然而,在大多数生物胚胎中,由于细胞膜的存在,将会使这种简单的扩散机理不起作用。但是,由于浓度梯度的存在是如此重要,因而有理由假定,在细胞膜上肯定存在着一种通道,使得信号分子的传递成为可能,而果蝇仅是一个特例。
  
  但是,从对果蝇的研究中,沃哈德坚定地相信,“对一种很好的模式系统的基础研究,已导致了有力的理解,它有一天能帮助我们弄清人类的发育,这些见解已经向我们提供的是对自然中最深奥的问题之一答案--复杂性如何从最初的简单性中产生。”

原创性思维的价值

  在分子生物学的方法几乎一枝独秀的年代,沃哈德与她的同伴韦乔斯一起,在显微镜下数果蝇达一年之久,这在旁人看来,不仅单调乏味,更有落伍之嫌。可作佐证的是,当年他俩在欧洲分子生物学实验室(EMBL)从事果蝇早期胚胎发育研究时,周围的人很惊奇于他们为何还用三四十年代的方法数果蝇。但是,不平凡的发现恰恰从平凡的手段中脱颖而出,这无疑令人深思。
  
  对于发展中国家的科研人员来说,这尤其是一种激励。因为它证明了一个成功理论的提出,有时并不完全依赖于最先进的实验仪器,它更需要研究人员与众不同的原创性思维和独具慧眼的切入点,不用说还要有耐得寂寞的恒心和毅力,1983年获诺贝尔奖的麦克林托克也正是在这点上获得了成功。
  
  沃哈德等只是借助于经典的研究方法,提出了一个简单的模型,而完善这个模型的进一步工作却是由分子生物学家做出的。例如,由他们所发现的这些节段数目基因,后来被分子遗传学家所分离,发现它们与同源异形基因一样,有一个共同的阅读框(ORE),其中含有180对核苷酸,在各类生物中有很大的保守性。沃哈德的工作为分子遗传学家克隆这类基因提供了基础,因为在分离之前,分子遗传学家就知道与分节有关的基因中的核苷酸顺序一定会很特别。这是由于分节是生物进化中的大事,当生物进化到一定阶段(环节动物)开始出现体节,此生物开始进入更为复杂的机体结构的进化。所以,与分节有关的基因一定会表现出某种共同性。然而,诺贝尔奖只属于沃哈德等三人,作出这些发现的分子遗传学家却与之无缘。
  
  这恰恰是因为沃哈德等人提供的是一种原创性思维,是一门学科中的核心概念,所以,它富有简洁的魅力;而分子生物学家随后所做的工作,虽然使这个简单的模型日趋美化、精细化、复杂化,但却不属于一种原创性思维。用库恩的理论来说,前者提出了一种新的范式,而后者仅是常规科学时期的解难题活动。份量孰轻孰重,从诺贝尔奖的授予上自然能体现出来。诺贝尔奖不看重那些仅仅追求完美性的科学家。
  
  由此可见,诺贝尔奖更重视的是先驱性研究成果的发明者或发现者。所谓先驱性的研究成果,是指生物医学领域中某个方面的革命性研究进展,它的诞生将构成未来几年、十几年乃至几十年在这个方向上的研究热点,为后来者留下了一大片有待开垦的处女地。不管后来者如何在这片处女地上细心耕作和完善,诺贝尔奖是不会再降临在他们头上了,除非他们的成果又产生了另一个革命性进展。
  
  沃哈德全力研究的是生物界中最迷人的现象——发育与遗传的关系。但她本人的生活则谈不上浪漫迷人。沃哈德婚后无子女,现已同丈夫离异——当生活和事业不能两全时,她不得不放弃生活。她至今仍孑然一人。这不由得使我们更对她增添了一份敬意。
  
  最后有必要强调的是,对于沃哈德来说,促使她投身于科学研究的最大动力来自于对自然的热爱以及对发育问题的强烈兴趣。这是一种超脱功利色彩的、源自于生命深处的兴趣,在急功近利的当代社会中,能听到这样的心声,我们不免为之心动,并盼望有更多的人来关心自然、热爱生命——这是沃哈德给予我们的另一个珍贵启示,它的意义不亚于她的科研成果本身。