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玉米成為遺傳規(guī)律的叛徒？六十年前，她用玉米徹底顛覆了遺傳學(xué)

在生物學(xué)上，孟德?tīng)柕倪z傳定律可以說(shuō)是遺傳學(xué)不能失敗的旗幟。

但是世界那么大，不是所有生物都愿意服從的。

例如，在裂殖酵母中發(fā)現(xiàn)了違反孟德?tīng)柖傻淖运交颉?/p>

其實(shí)普通的玉米就是一個(gè)隱藏很深的叛徒。

根據(jù)孟德?tīng)柖?，大多?shù)生物的基因是成對(duì)存在的，它們都有相同的概率遺傳給后代。

但是最近，喬治亞大學(xué)的遺傳學(xué)教授凱利·道和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn):

利用“煙幕”，很多玉米基因可以在75%左右的時(shí)間內(nèi)傳遞給下一代。

因此，這些玉米騙子不僅違反了孟德?tīng)柕蔫F律，將來(lái)還可能產(chǎn)生新的規(guī)則。

你認(rèn)為玉米是唯一的叛徒嗎？

大約60年前，它給人類帶來(lái)了前所未有的“基因轉(zhuǎn)座”發(fā)現(xiàn)，徹底顛覆了人們對(duì)遺傳學(xué)的認(rèn)知。

如今，這一劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于基因工程、分子生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、疾病預(yù)防、轉(zhuǎn)基因等領(lǐng)域。

然而，它的發(fā)現(xiàn)者芭芭拉.麥克林托克卻遭到了同行的嘲笑、奚落和冷落。

直到30多年后，她的研究成果終于得到認(rèn)可，她獨(dú)自獲得了諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

芭芭拉·麥克林托克在諾貝爾獎(jiǎng)上的演講

我們知道基因研究有三大法寶，果蠅，豌豆，玉米。

其中，玉米因其種子數(shù)量多(每個(gè)玉米?？梢宰鳛榉N子)和育種周期短而受到研究者的青睞。

20世紀(jì)初，康奈爾大學(xué)對(duì)玉米遺傳學(xué)研究的熱情堪比果蠅遺傳學(xué)。

作為那里的學(xué)生，芭芭拉·麥克林托克自然選擇了研究玉米。

芭芭拉并沒(méi)有因?yàn)閺男∠矚g學(xué)習(xí)科學(xué)而受到青睞，但她最終成功獲得了植物遺傳學(xué)博士學(xué)位，成為了一名女科學(xué)家。

在當(dāng)時(shí)不重視女性的科學(xué)界，她的研究道路似乎更加艱難。

她總是需要為自己的獨(dú)立研究四處教書，或者尋求很少的財(cái)政援助。

幸運(yùn)的是，她特別的幫手玉米，從來(lái)沒(méi)有讓她失望過(guò)，反而總是給她帶來(lái)驚喜。

每當(dāng)她在遺傳學(xué)上遇到無(wú)法回答的問(wèn)題時(shí)，她立刻想到從玉米中獲得奇妙的答案。

為了揭開(kāi)染色體和基因的奧秘，她不厭其煩地種植玉米，折斷木棍，用顯微鏡仔細(xì)觀察玉米種子和葉片。

用當(dāng)時(shí)新發(fā)明的生產(chǎn)方法，她仔細(xì)分辨了玉米染色體的長(zhǎng)度、形狀和排列。

在她的努力下，她還發(fā)表了一系列基于玉米實(shí)驗(yàn)的高質(zhì)量遺傳學(xué)論文。

1931年，她和研究生哈里特·克萊頓發(fā)表了一篇里程碑式的論文。

本文提出的實(shí)驗(yàn)證據(jù)令人信服地證實(shí)了基因與染色體之間的關(guān)系，這是證明基因存在于染色體上的最后證據(jù)。

就這樣，她憑借對(duì)玉米的研究在科學(xué)界聲名鵲起，使玉米遺傳學(xué)得到更多關(guān)注。

可惜由于體制對(duì)女性的偏見(jiàn)，她很長(zhǎng)一段時(shí)間都沒(méi)能獲得穩(wěn)定的職位。

為此，她還在朋友的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地種玉米，借用別人的實(shí)驗(yàn)室做研究。

后來(lái)，她終于成為了密蘇里大學(xué)的助理教授，但是她的工資始終低于其他男性研究人員，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠后續(xù)研究費(fèi)用。

還好她一開(kāi)始沒(méi)在意，只是想做好自己的研究。

即使她以扎實(shí)的科研能力成為美國(guó)基因?qū)W會(huì)副會(huì)長(zhǎng)，對(duì)她的工作也毫無(wú)幫助。

她仍然被排除在各種教師交流活動(dòng)之外，看不到晉升的希望。

她于1941年離開(kāi)大學(xué)，來(lái)到冷泉港實(shí)驗(yàn)室工作。

冷泉港實(shí)驗(yàn)室

之后事業(yè)慢慢好轉(zhuǎn)，1944年當(dāng)選美國(guó)科學(xué)院院士，次年被任命為美國(guó)遺傳學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)。

當(dāng)時(shí)，她打破了人們對(duì)女性的固有偏見(jiàn)，被公認(rèn)為唯一杰出的女科學(xué)家之一。

然而，她努力了大半輩子的榮譽(yù)，幾乎被一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)毀掉了。

事實(shí)上，在早期對(duì)玉米的研究中，芭芭拉發(fā)現(xiàn)在一些玉米種子中發(fā)現(xiàn)了玉米色素，呈現(xiàn)出一些奇怪的圖案。

她觀察到玉米籽粒顏色的遺傳非常不穩(wěn)定，有時(shí)籽粒上有一些不規(guī)則的斑點(diǎn)。

當(dāng)時(shí)的遺傳學(xué)家普遍認(rèn)為這些現(xiàn)象是基因突變?cè)斐傻?，并不稀奇?/p>

但芭芭拉顯然對(duì)這個(gè)簡(jiǎn)短的回答不滿意，她希望找出背后的真正原因。

她每天都仔細(xì)觀察玉米粒和葉子顏色的復(fù)雜變化。

然后，她把收集的材料帶回實(shí)驗(yàn)室，在光學(xué)顯微鏡下研究玉米染色體的斷裂和重組。

經(jīng)過(guò)耐心的記錄和仔細(xì)的分析，她發(fā)現(xiàn)給谷物著色的色素基因在特定的位置是“連接”或“斷裂”的。

但這些變化是任何現(xiàn)有理論都無(wú)法解釋的，她知道這會(huì)帶來(lái)新的發(fā)現(xiàn)。

為了嚴(yán)謹(jǐn)起見(jiàn)，她觀察了六年，積累了大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，才總結(jié)出玉米上那些奇怪斑點(diǎn)背后的真相。

她很高興地把它們寫成兩篇論文，《玉米可變位點(diǎn)的起源和行為》和《染色體結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)》，發(fā)表于1951年。

在她的論文中，她指出基因可以移動(dòng)，從一個(gè)染色體位置跳到另一個(gè)，甚至從一個(gè)染色體跳到另一個(gè)染色體。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，基因可以像跳舞的精靈一樣在染色體上“跳躍”。

她把這些自發(fā)轉(zhuǎn)移的基因稱為“轉(zhuǎn)座因子”，指出它們不僅具有跳動(dòng)的特性，還控制著其他因子的開(kāi)閉。

不久之后，她詳細(xì)總結(jié)了在玉米中發(fā)現(xiàn)的“Ds Ac換位控制系統(tǒng)”。

我們假設(shè)基因C是控制某些色素產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)基因。

在它附近，有一個(gè)Ds基因(稱為解離因子)，可以以一定的速率關(guān)閉C基因的表達(dá)，使色素?zé)o法合成。一旦Ds基因離開(kāi)C基因，即從原來(lái)的位置斷裂或脫落，C基因再次表達(dá)，谷粒就顯示出原來(lái)的顏色。

這個(gè)圖中，10的種子是無(wú)色的，沒(méi)有Ac基因。11到13之間，有一份Ac。Ds可以移動(dòng)，產(chǎn)生一些花色素苷形成馬賽克圖案。面板14的內(nèi)核有兩個(gè)Ac元素，十五個(gè)中有三個(gè)。

而Ds基因是否能起作用，也就是說(shuō)是否能從染色體上解離下來(lái)，是由第三基因Ac(稱為激活子)控制的。

當(dāng)Ac基因存在時(shí)，Ds基因與染色體解離，從而解除其對(duì)C基因的抑制。

當(dāng)Ac不存在時(shí)，Ds不解離，C基因被抑制。

這些控制因子跳動(dòng)得如此之快，以至于它們控制的顏色基因打開(kāi)和關(guān)閉，然后玉米顆粒出現(xiàn)斑點(diǎn)。

但當(dāng)時(shí)科學(xué)界還沒(méi)有真正揭開(kāi)染色體的面紗。

大家都認(rèn)為基因是一個(gè)很穩(wěn)定的東西，它在染色體上的位置是固定的，有一定的位置、距離和序列。

人們從來(lái)沒(méi)有意識(shí)到，更沒(méi)有想象到，基因會(huì)從一個(gè)地方跳到另一個(gè)地方。

這個(gè)超出科學(xué)家認(rèn)知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果根本不愿意相信，幾乎所有科學(xué)家都認(rèn)為是“這個(gè)女人瘋了”。

即使芭芭拉在會(huì)上列舉了大量細(xì)胞學(xué)證據(jù)來(lái)支持她的說(shuō)法。

但是當(dāng)時(shí)沒(méi)有人愿意聽(tīng)她的推理和判斷，都被歸為“附身”幻想。

然而，她始終相信，這些年來(lái)她的實(shí)驗(yàn)結(jié)果從未改變。

這讓她在科學(xué)界被視為異類，多年積累的威望一下子從光輝的頂峰跌落到谷底。

她被遺傳學(xué)拋棄，朋友同事也漸漸疏遠(yuǎn)她。

她不得不獨(dú)自生活，繼續(xù)研究玉米。

自1953年以來(lái)，她從未發(fā)表過(guò)自己的理論。

直到1961年，法國(guó)科學(xué)家雅各布和莫諾提出乳糖操縱子模型，揭示了生物體內(nèi)基因調(diào)控的機(jī)制。

乳糖操縱子位于大腸桿菌和其他腸桿菌科細(xì)菌中。

它包含三個(gè)相連的結(jié)構(gòu)基因，啟動(dòng)子、終止子和操作基因。這些基因的跳動(dòng)可以操縱和控制乳糖的轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝。

乳糖操縱子模型

聽(tīng)到這個(gè)消息，麥克林托克非常激動(dòng)。在她看來(lái)，乳糖操縱子模型和她的轉(zhuǎn)座系統(tǒng)一模一樣。

科學(xué)界很快接受了雅各布和莫諾的理論。

為了再次引起科學(xué)界對(duì)她的研究成果的關(guān)注，她專門寫了一篇論文《玉米與細(xì)菌遺傳控制系統(tǒng)的比較》。

但是當(dāng)雅各布和莫諾獲得1965年諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，沒(méi)有人愿意接受她的轉(zhuǎn)座因子。

他們?nèi)匀话阉睦碚撘暈榱眍惡彤惗?，但顯然是類似的模式。為什么他們不能接受她的理論？

這給剛剛點(diǎn)燃希望之火的她潑了一盆冷水。幸運(yùn)的是，她已經(jīng)習(xí)慣了這種冷漠。

她說(shuō)，這些年的經(jīng)歷告訴我，改變一個(gè)人對(duì)自然科學(xué)的認(rèn)知是非常困難的，這種改變需要隨著時(shí)間的推移不斷打磨。

直到20世紀(jì)60年代中后期，當(dāng)人們把基因工程作為一種強(qiáng)大的新工具時(shí)，他們終于在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了“轉(zhuǎn)座子”。

這引起了人們對(duì)芭芭拉研究工作的興趣。

在整個(gè)20世紀(jì)70年代，分子遺傳學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的可移動(dòng)或可轉(zhuǎn)移的遺傳因子。

這些因素不僅存在于細(xì)菌中，也存在于高等動(dòng)植物中。

人們驚訝地發(fā)現(xiàn)，科學(xué)界花了30多年才趕上她的理論。

他們還承認(rèn)芭芭拉的術(shù)語(yǔ)“轉(zhuǎn)座因子”是用來(lái)描述所有可以插入基因組的DNA片段的。

1983年，81歲的芭芭拉終于得到了世界的認(rèn)可，終于登上了諾貝爾獎(jiǎng)的領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)。

她也成為歷史上第一位獨(dú)自獲得諾貝爾獎(jiǎng)的女科學(xué)家。

這個(gè)遲到了三十多年的榮譽(yù)，終于來(lái)到了她的身邊。

卡羅琳醫(yī)學(xué)院還將芭芭拉的成就與百年前遺傳學(xué)的偉大先驅(qū)孟德?tīng)柕某删拖嗵岵⒄摗?/p>

如今，轉(zhuǎn)座子理論得到了不斷的延伸和拓展，也應(yīng)用到了基因工程、疾病預(yù)防、轉(zhuǎn)基因等前沿生物學(xué)領(lǐng)域，給人類帶來(lái)了新的技術(shù)突破。

然而，芭芭拉在1992年去世了。她一生未婚，沒(méi)有孩子。

但是如果芭芭拉沒(méi)有一輩子堅(jiān)持玉米，我們今天可能仍然沒(méi)有機(jī)會(huì)互相了解。

參考數(shù)據(jù)

1.芭芭拉·麥克林托克。維基百科

2.任一生的核心豐碑。鍥而不舍情有獨(dú)鐘——紀(jì)念諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、偉大女科學(xué)家芭芭拉·麥克林托克誕辰100周年[J]。Xi聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(04):110-111。

3.崔鶴童。諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主麥克林托克[J]。綠蘋果，2012(03):45-46。