正確的520打開方式：53446次雜交——劉易斯與果蠅的不解之緣
今天是美國遺傳學家劉易斯誕辰101周年。15歲時，劉易斯第一次接觸果蠅實驗。漸漸地，這位富有藝術天賦的少年喜歡上了果蠅這種小精靈，將其視為自己鍾愛一生的科研伴侶。後來的故事你會在文中讀到：劉易斯發明了互補測試，並進一步闡明果蠅體節發育與調控基因之間的共線性關係，為發育生物學研究奠定了堅實基礎，因此榮膺1995年諾貝爾生理學或醫學獎。
撰文 | 郭曉強（北京大學深圳醫院副教授）
生命從一個受精卵最終形成完整個體的過程稱為發育。這個過程既至關重要，又高度複雜，因此它的精細調控，無疑成為眾多生命科學家試圖破解的難題之一。1970年代末，多位果蠅遺傳學家鑒定了發育調控的一系列關鍵基因，從而為發育生物學研究打開一扇嶄新的大門，美國科學家劉易斯（Edward Butts Lewis）為此做出了奠基性貢獻[1]。
●鍾情果蠅●
1918年5月20日，劉易斯出生於美國賓夕法尼亞州威爾克斯-巴里一個中產階級家庭，父親是一位鐘錶製造商和珠寶商。然而，1929年席捲全球的經濟危機，給劉易斯一家帶來巨大衝擊，幸運的是在叔叔照顧下，最終渡過了難關。
劉易斯具有良好的藝術天賦。10歲時，劉易斯從叔叔那裡收到一根木笛作為禮物，幾年後又從父親那兒得到一根銀色長笛，還憑藉自身努力，成為當地交響樂團的一員。由於在音樂方面的成績，他獲得了一份獎學金，有機會進入藝術氣息濃厚的賓夕法尼亞州巴克內爾學院。
除藝術天分外，劉易斯還對科學尤其是生物學充滿了熱愛之情。在邁爾斯高中時，劉易斯就與摯友諾維茨基（Edward Novitski，後來也成為一名偉大的果蠅遺傳學家）一起加入學校生物學俱樂部。1933年，兩人從美國《科學》雜誌上看到一則廣告，提及1美元可購買100隻實驗室果蠅。當時，果蠅由於摩爾根（T. H. Morgan）及其同事的廣泛研究而成為一種明星級的遺傳學模式生物，此外果蠅由於飼養簡易、繁殖快等眾多優點而受到研究人員青睞。兩人花費了俱樂部僅有的4美元，購置了果蠅和相關飼養設備，在學校實驗室開啟了果蠅研究的生涯。閑暇時間，兩位愛德華（Edward）到他們的「果蠅實驗室」去觀察突變體，希望找到期待中的變異果蠅。慢慢地，劉易斯喜歡上了果蠅這種「小精靈」，把它作為自己鍾愛一生的科研伴侶[2]。
由於對果蠅的痴迷和摯愛，劉易斯在巴克內爾學院僅一年時間就轉到明尼蘇達大學。他之所以選擇明尼蘇達大學，一方面是學費不貴，個人可以承受，另一方面在於能繼續從事果蠅研究。在這裡，劉易斯遇到人生第一位科學導師——遺傳學教授奧利弗（C. P. Oliver）。奧利弗是摩爾根學生穆勒（H. J. Muller, 1946年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者）的博士生，從這個角度講，劉易斯稱得上摩爾根遺傳學派的第四代傳人。奧利弗非常欣賞劉易斯，在自己辦公室為劉易斯準備了一個工作台，並鼓勵他繼續做自己高中階段的果蠅研究。1939年，劉易斯從明尼蘇達大學畢業，獲得生物統計學學位。
1939年在奧利弗推薦下，劉易斯成功獲得了加州理工學院獎學金，並成為著名遺傳學家斯特蒂文特（A. H. Sturtevant）的學生。斯特蒂文特是摩爾根學生，這樣劉易斯也得以升為摩爾根學派第三代，不過更重要的是，劉易斯真正開始了自己的果蠅科研生涯，從早期的單純愛好轉變為終身事業。
●果蠅遺傳●
在加州理工學院，劉易斯的研究重點在於探索染色體上基因位置對錶型的影響。他發現，存在兩種果蠅眼睛形態異常的突變體，但無法確定這兩種突變體究竟是由相同的基因控制，還是受兩個基因影響。經過縝密思考，劉易斯開創了著名的順反測驗（cis-trans test），又稱互補實驗。「順反」一詞借鑒了有機化學概念，如2-丁烯有兩種同分異構體，兩個甲基在雙鍵同側稱順式，在對側則稱反式。在此以紅眼果蠅遺傳為例來理解順反測驗原理。野生型果蠅眼睛是紅色，這是因為紅色的形成由兩個基因A和B控制，如果A或者B突變形成a或b，則喪失紅色合成能力，因此純合aa或bb為白眼果蠅。讓雙基因純顯性AABB與雙基因純隱性aabb雜交，其F1代為AaBb，由於A和B在同一條染色體上，即為順式結構，果蠅表型為紅眼（野生型）。讓單基因純顯性和單基因純隱性果蠅AAbb和aaBB雜交，產生的F1代基因型為AabB，由於A和B在兩條染色體上，因此二者為反式關係。此時可能有兩種表型，若為紅眼，則意味著表型互補，表明A和B為兩個不同基因；若仍為白眼，則說明互補失敗，因此a和b應為同一基因內部不同位置的突變。順反測驗為鑒別表型相同的兩個甚至多個突變體，究竟由相同還是不同基因控制，提供了有效的研究手段，即使今天仍是經典遺傳學的基本方法之一。尤其重要的是，順反測驗為劉易斯將來進行果蠅發育研究奠定了堅實基礎[3]。
劉易斯又鑒定出多種果蠅突變體的相關基因，並利用順反測驗確定了它們之間的關聯，因此於1942年獲得理學博士。這也意味著果蠅遺傳學領域的一顆新星正在冉冉升起。
1941年底爆發的珍珠港事件，促使美國投入第二次世界大戰，也打斷了劉易斯進一步深造的計劃。為服務軍隊，劉易斯學習了一年的氣象學知識，並隨後加入美國空軍，負責駐紮在太平洋軍艦上的氣象預報工作。
1946年，從戰場歸來的劉易斯重回加州理工學院，再次開啟自己鍾愛的果蠅事業。當時恰逢著名遺傳學家比德爾（G. W. Beadle, 1958年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者）從斯坦福大學轉到加州理工學院並擔任生物系主任，他對果蠅同樣情有獨鍾。當時加州理工學院尚缺一名果蠅倉庫保管員，於是招募自己的學生帕梅拉（Pamela Harrah）負責此事，並將她介紹給劉易斯相識。雙方一見鍾情，不久走入婚姻殿堂。婚後的帕梅拉既是劉易斯生活上的伴侶，彼此相敬如賓；又是劉易斯在科研上的助手，兩人夫唱婦隨。劉易斯負責誘導果蠅突變和進行雜交實驗，帕梅拉負責鑒定和篩選果蠅突變體[4]。
●果蠅發育●
果蠅屬於節肢動物門昆蟲綱，其身體基本結構從前到後分為頭部（head）、胸部（thorax）和腹部（abdomen）。各部又可進一步分節，如胸部3節（T1—T3）、腹部8節（A1—A8），其中第二胸節（T2）生長一對翅膀。1915年，摩爾根的學生布里吉斯（C. B. Bridges）發現一種發育異常的果蠅突變體，竟然長出兩對翅膀。解剖發現，這是源於第三胸節（T3）轉換為第二胸節（T2），從而獲得了翅膀生長的能力。這種突變被命名為同源異形（homeosis），這種果蠅則被稱為雙胸突變體。後又鑒定出另外兩種異形突變體，分別稱超級雙胸果蠅和雙胸樣果蠅。由於通過遺傳作圖發現了控制這些性狀的三個基因，緊密排列在同一條染色體上，因而將其統稱為雙胸基因複合物（bithorax gene complex, BX-C）[5]。布里吉斯一直試圖揭開其中的謎題，遺憾的是因早逝而未能完成，但他慷慨捐出異形果蠅和自己的研究數據，以期後人來實現他未盡的心愿。
劉易斯很早就熟悉異形果蠅，但苦於沒有思路而一直未接觸這一課題。1951年的一天，劉易斯突發奇想，決定接受這個挑戰，全面研究 BX-C 調控果蠅發育的機制。當時他沒有料到，此後自己花費了近30年時間才取得重大突破。
劉易斯首先採用X射線照射和化學誘導的策略，製備更多的果蠅異形突變體。意想不到的是，這些突變基因都位於同一條染色體。劉易斯因此將這些基因分為幾個亞類，BX-C 只是其中之一。他隨後採用X射線照射，引發發育相關基因的大片段缺失，並通過進一步的單基因回補策略，來判斷特定基因的功能。在基因工程與轉基因技術尚未誕生的年代，劉易斯只能藉助果蠅雜交的方法實現回補效應，困難程度可想而知。由於果蠅發育本身的複雜性和技術手段的局限性，劉易斯幾十年如一日地重複著果蠅誘變、雜交、觀察、篩選和統計等工作，以期從繁雜的數據中梳理出科學真相。此外，劉易斯還時刻關注著生命科學的最新進展，如操縱子學說提出後，他迅速將該理論應用到發育調控研究，在拓展認識上得到重要幫助。他還特別看重學術討論，從中汲取了大量有價值的思想與觀點。
1978年，劉易斯發表了發育生物學領域一篇具有里程碑意義的論文[6]，總結回顧了自己近30年來關於 BC-X 複合物及相關基因調控果蠅發育的研究成果。在這篇論文中，劉易斯主要提及兩個重大發現：首先定義了9類發育相關基因，這些基因與9個體節（T3和A1—A8）呈共線性關係，即一類基因控制一個體節發育，並且基因在染色體上的排布與果蠅體節的順序呈現嚴格的一一對應關係；其次發現了許多發育調節基因，如BC-X複合物，可通過影響其他基因的表達（激活一類基因表達，同時抑制另一類基因表達）而執行生物學功能。
劉易斯對果蠅發育的高度洞察力、科學思維的獨創性、科研過程獨有的個人魅力以及近乎完美的天才解釋，革新了大家對發育過程的理解。劉易斯常一人躬耕於實驗室，以果蠅為伴，與科研為伍。這種看起來有點「愚笨」的研究策略、這種專註和執著，代表了那個時代科學家的高貴品質。即使在幾十年無明顯進展的情況之下，仍然義無反顧，甘坐「冷板凳」，追求這個在當時看來「冷門」的領域。
1978年文章的發表，立刻引起學術界極大的關注，「卅年窗下無人問」的劉易斯，可謂「不鳴則已，一鳴驚人」，眾多科學家迅速加入果蠅發育領域，而該領域也迅速成為生命科學研究的一大熱點。因此可以說，劉易斯以一己之力，在一定程度上扭轉了發育生物學研究的走向。德國女科學家福爾哈德（C. Nüsslein-Volhard）和美國遺傳學家威紹斯（E. F. Wieschaus）採用化學誘變策略，製備出眾多新型的果蠅異形突變體，進一步鑒定出更多的發育調控基因，從而拓展和延伸了劉易斯的成果。1995年，三位科學家憑藉著對「早期胚胎髮育遺傳控制」原理的發現，分享了諾貝爾生理獎或醫學獎。
劉易斯發現的另一大意義在於，促使科學家開始研究 BX-C 複合物的具體生物學功能。進入1980年代，研究人員藉助基因測序的方法，鑒定出這些異形基因都包含一段180個鹼基的保守序列，命名為異形框（homeobox），其對應的60個氨基酸則被稱為同源異形域（homeodomain）。因此，異形基因實際上編碼的是一類轉錄調控因子，這些轉錄因子通過保守的同源異形域與靶基因特定的DNA序列結合，從而發揮轉錄調控作用。這些研究極大地加深了對發育過程的理解與認識。
●進化及癌症研究●
劉易斯很早就對進化抱有濃厚興趣。最初的關注點在於新基因產生的原理。1951年，劉易斯在前人工作的基礎上提出，同源基因之間通過不對等重組，可產生串聯重複基因，進一步藉助突變而使基因功能發生分化，最終形成基因簇結構。
果蠅發育基因異形框的發現，促使科學家開始尋找其他生物發育基因的特徵，結果在哺乳動物中發現廣泛存在一般稱為 Hox 的基因，它們是進化上最保守的基因家族。人類擁有39個 Hox 基因，可被進一步分為四個亞類，分別定位於四條染色體。後來藉助基因敲除技術，證明 Hox 基因控制小鼠胚胎髮育也遵循共線性規則。這一發現使得劉易斯的科學貢獻得到極大提升，也使科學家意識到發育是一個高度保守的過程。該發現也是利用果蠅等模式動物研究人類疾病發生機制的重要理論基礎（同源基因具有保守的生物學功能）。
上述發現還徹底改變了對器官進化過程的理解，例如同源器官（homologous organ）。同源器官是指不同生物的某些器官在基本結構、彼此間相互關係以及胚胎髮育過程等方面具一定相似性，但外形並不相似，功能也有差別，如鳥的翅膀、蝙蝠的翼手、鯨的胸鰭、狗的前肢以及人的上肢等。異形框的發現為同源器官的演變過程提供了重要支持，引發了生命進化研究與發育學的融合，進而誕生了一門新學科——進化發育生物學。劉易斯本人也以果蠅為模型，來研究進化進程。他觀察到，四翅突變果蠅與蜻蜓非常相似，而十胸節突變果蠅又和蜈蚣類似等，從而提示了不同昆蟲之間有著進化上的關聯。
1950年代，劉易斯在研究果蠅胚胎髮育之謎的同時，還從事了另一項重要研究，即輻射對人類健康的影響。關於輻射，主流觀點認為存在閾值效應，低於一定劑量（閾值）就不會增加癌症發生風險。憑藉著在果蠅突變體製備方面的豐富經驗，劉易斯敏銳意識到這一說法存在重大問題。他和好友對廣島與長崎遭受原子彈襲擊的倖存者進行了實地調查，還對接觸放射線的臨床醫生及患者的白血病發生情況進行了分析，最終得出結論：輻射劑量與白血病發生呈線性關係，並不存在所謂的安全輻射閾值。1957年，劉易斯發表了這一結果[9]，立刻引發了一場爭論，最終他用詳實的數據表明了自己理論的正確性。
●功成身就●
1988年，70歲的劉易斯從自己奉獻一生的科研崗位退休，但並未離開實驗室和所鍾愛的果蠅。即使在去世前一個月，他仍在實驗室里忙碌，並完成人生的最後一篇論文。劉易斯實驗記錄本的最後一行，清晰記載了「果蠅雜交53446」這個數據，代表自1941年第一次雜交開始，在漫長60多年科研生涯中，劉易斯完成的雜交實驗總次數（近900次/年）。2004年7月21日，劉易斯因前列腺癌而在帕薩迪納當地的亨廷頓紀念醫院去世，享年86歲[10]。
劉易斯在科研上堪稱人生贏家，除諾貝爾獎外還獲得美國遺傳學會摩爾根獎章（1983年）、加拿大加德納基金會國際獎（1987年）、以色列沃爾夫醫學獎（1987年）、美國國家科學獎章（1990年）、拉斯克基礎醫學獎（1991年）和美國哥倫比亞大學霍維茨獎（1992年）等，可以說把相關的重要獎項囊括無遺，算得上贏了個科學獎的大滿貫。1968年，劉易斯當選美國科學院院士，此外還是英國皇家學會外籍會員（1989年）。
劉易斯整個科研生涯都以「特立獨行」著稱。他很少發表論文，因為篤信從事科研唯一動力就是興趣。他的思維受英國哲學家羅素（B. Rusell）影響甚大，非常看重抽象思維在科學研究中的重要性，非常喜歡從錯綜複雜的數據中抽絲剝繭，找到科學原理所在。在長期研究不被主流看好的壓力下從不氣餒，一如既往地堅守自己的信念。
劉易斯繼承了摩爾根學派的優良傳統，那就是不指派具體研究課題給研究生或博士後，相反鼓勵他們自我探索，因為他相信，興趣和方向是學生自發形成的而非外界強加的。可能跟這個緣故有關，他一生培養的學生數量有限。劉易斯在科研上還非常慷慨大度，免費為同行提供研究材料和相關信息，尤其對剛進入果蠅研究領域的年輕人更是關愛有加，大力提攜，幫助他們迅速成長為領域內佼佼者。他的科學成就和個人魅力也吸引了眾多年輕學子加入果蠅遺傳和發育研究這個領域並加以發揚光大。值得提及的是，劉易斯算得上當仁不讓的摩爾根衣缽傳人。摩爾根最得意三位弟子穆勒、特蒂文特和布里吉斯均影響了他。劉易斯跟隨穆勒的學生走進了果蠅研究殿堂，跟隨特蒂文特掌握了揭開果蠅之謎的鑰匙，沿著布里吉斯足跡最終榮登諾貝爾獎領獎台。1966年，劉易斯成為摩爾根講座教授。
參考文獻
[1] The Nobel Prize Organisation. Edward B. Lewis. https://www. http://nobelprize.org/prizes/medicine/1995/lewis/facts, 2019-02-17.
[2] Crow J F, Bender W. Edward B. Lewis, 1918-2004. Genetics, 2004, 168(4): 1773.
[3] Duncan I, Montgomery G E B. Lewis and the bithorax complex: Part I. Genetics, 2002, 160(4): 1265.
[4] Sakonju S. Remembering the year with E.B. Lewis. Dev Dyn, 2005, 232(3): 547.
[5] Lewis E B. The bithorax complex: The rst fty years. Int J Dev Biol,1998, 42(3): 403.
[6] Lewis E B. A gene complex controlling segmentation in Drosophila. Nature, 1978, 277(5688): 565.
[7] Duncan I, Montgomery G E B. Lewis and the bithorax complex: Part II. From cis-trans test to the genetic control of development. Genetics, 2002, 161(1): 1.
[8] Lipshitz H D. From fruit ies to fallout: Ed Lewis and his science. DevDyn, 2005, 232(3): 529.
[9] Lewis E B. Leukemia and ionizing radiation. Science, 1957, 125(3255): 965.
[10] Duncan I, Celniker S E. In memoriam: Edward B. Lewis (1918-2004). Dev Cell, 2004, 7(4): 487.
本文原載2019年3月《科學》第2期，《返樸》經授權刊發，對原文略有修訂。
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