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第9章 人体学家(9)

1948年,麦克林托克公开介绍了一个术语:转座子。转座包括两部分过程:染色体因子从原来的位置释放,插到一个新位置上。基因在染色体上能移动位置,也就是说能“转座”,在当时遗传学界简直是闻所未闻。因为按照传统的观念,基因在染色体上是固定不变的,要它从染色体的一个位置“跳”到另一个位置,甚至“跳”到别的染色体上,那是科学家们从来没有想过的。

1951年夏,当麦克林托克在一次学术交流会上向同行们介绍自己的新成果——跳跃基因学说时,有人嗤嗤发笑;有些人则公开抱怨无法理解她的答案;有人表示怀疑,单独一个人怎么可能取得她在报告中所介绍的那么多成果呢?有不少人说她过度亢奋,甚至说她完全疯了,因为她的认识违背了关于遗传信息的构架是固定不变的这种普遍共识。此后,这位原来在美国遗传学界享有盛誉的女科学家,经受了她一生中相当长时间的孤寂和苦闷,朋友和同事大都和她渐渐疏远,她只好离群索居,几乎成了孤家寡人。

在以后的岁月里,科学家们在细菌、真菌和其他高等动植物中都逐渐发现了许多与麦克林托克转座因子相同或相似的现象,迫使人们不得不重新回过头来审视麦克林托克在玉米中的研究,对麦克林托克工作比较清楚的几位科学家也努力揭示真相,人们逐渐认识了麦克林托克的研究成果。

1976年,麦克林托克的理论终于得到了认可。在大家的眼里,麦克林托克用传统的遗传学和细胞学研究的手段得出了“转座子”的概念,解决了用分子生物学和分子遗传学的方法才能解决的问题。因此,越来越多的科学家惊讶于她超越时代的科学发现,以及她那不屈不挠超越常人的意志和毅力,甚至预测她将获得诺贝尔奖。

1983年,瑞典皇家科学院诺贝尔奖金评定委员会终于把该年度的生理或医学奖授予这位81岁高龄的科学家。她成为遗传学研究领域第一位独立获得诺贝尔奖的女科学家。1992年9月2日,麦克林托克去世,终年90岁。她一生未婚,只对玉米情有独钟。

现在,麦克林托克的理论使人们改造生命的梦想变为了现实。人们可以把基因转移给细菌,让它合成各种激素、免疫球蛋白、疫苗,取代以前从动物体内提炼的陈旧工艺,也可把基因注入遗传病患者体内,完善他的基因库。她的成就奠定了遗传工程学的理论基础,为现代医学、生理学和农学打开了一个全新的领域。

智慧人生

信念、自信、兴趣、独立思考和埋头行动是取得科研成功的重要因素。有了这些要素,就不会在困难目前退缩,而是千方百计地调动各种力量去克服困难。麦克林托克在没有任何援助的情况下,正是依靠着无限的活力以及对科学的彻底献身精神,获得了一系列在细胞遗传学的历史上无与伦比的重大发现。

生化遗传学创始人比德尔

1902年,英国医生加罗德对由遗传因素所致白化病的患者和正常人作了生物化学上的比较,发现白化病是由于缺少一种酶引起的,这样他第一次把人们的注意力引向了基因和酶的关系。同时,遗传学家也已认识到基因在以某种方式影响着化学水平上的细胞过程,并进一步提出基因与代谢控制有着紧密的联系。之后一些生物学家分别提出了基因本身就是酶的推测。为人们揭开这个谜题的是美国生物学家比德尔。

比德尔1903年出生于美国内布拉斯加州一户农民家庭。1922年,比德尔考入了内布拉斯加林肯大学。在这里,他遇上了刚从康奈尔大学回来的凯姆教授并担任其研究助理,从事小麦杂交的研究。当时,康奈尔大学以研究农作物的遗传学而闻名,是植物遗传学的中心,可以与哥伦比亚大学的摩尔根学派相媲美。在凯姆的坚持下,比德尔到了康奈尔大学,与麦克林托克一道种植玉米,他的课题是“决定玉米花粉不育的遗传机制”,这是一个十分难啃的世纪难题,其机理至今仍未完全弄清楚——幸好比德尔及时地离开了它。麦克林托克本人也放弃了这个当时无法解决的问题,转而研究玉米染色体的行为,后来她终于发现基因的跳跃性而荣获诺贝尔奖。

1928年,全力以赴地在地里种植和收割玉米的比德尔,参加了由纽约植物园一名科学家多吉举办的讨论会,那时这位科学家正在用一种真菌——红色面包霉做遗传杂交实验,他观察到一些很有意思的分离现象。比德尔猜测这可能与摩尔根的学生布里奇斯关于果蝇异型染色体交换机制有关,在后来的研究中,比德尔并没有找到这两者间的确切联系,但红色面包霉却在他脑海中留下了深刻的印象。1931年,比德尔获博士学位后,来到加州理工学院,在遗传学大师摩尔根领导的“蝇室”从事果蝇细胞遗传学研究。

1937年,比德尔来到了斯坦福大学,在这里,他遇到了微生物学家塔特姆,两人一致决定用红色面包酶来进行研究。所谓红色面包霉,就是发霉的面包上长出的红毛。这种微小的生物与豌豆、果蝇相比,有许多不同,其中最大的不同是决定红色面包霉所有性质和形状的基因只有一个,因为红色面包霉的细胞与豌豆、果蝇等这些高等植物和动物的生殖细胞一样,只有一套染色体,这种生物体就叫做“单倍体”。单倍体的所有性状不是由一对对的基因决定的,而是由一个个的基因所决定。所以红色面包霉中,无论是显性基因突变为隐性基因,还是隐性基因突变为显性基因,可以立即由表现出来的性状反映出来。红色面包霉与豌豆、果蝇等相比,其繁殖速度更快而且更加容易在人工控制下培养。

比德尔和泰特姆先用X射线照射红色面包霉孢子以增加突变率,然后将处理过的孢子放到相对接合型的原子囊果上进行杂交,从每一个成熟的子囊果取一个子囊孢子接种到完全培养基上使它生长,再将每一株红色面包霉接种到基本培养基。所谓基本培养基,就是需要红色面包霉进行所有基本合成反应的培养基。野生型红色面包霉当然能在基本培养基上生长。如果某一株系能在完全培养基上生长而不能在基本培养基上生长,即可认定是某种营养缺陷型突变株。如果在基本培养基中添加了某种营养物质后它又能生长了,则可推断出它是哪一种营养缺陷型突变株。

比德尔和泰特姆在进行了许多不同类型的营养缺陷型突变株的筛选、鉴定和杂交实验后发现,每一种营养缺陷都在杂交实验中呈现孟德尔分离。这说明,营养缺陷是和基因突变直接相关的,并且每一种基因突变只阻断某一生化反应。人们早已熟知每一种生化反应都特异性地依赖于一种酶的催化。由此,比德尔和泰特姆得出:基因的作用乃是控制一种特定酶的产生;基因突变影响某种酶的正常合成,从而阻断该酶所催化的生化反应,最终影响性状。

比德尔和泰特姆的论文以《红色面包霉中生化反应的遗传控制》为题发表在1941年的《美国科学院院报》上。1945年,比德尔和泰特姆正式用“一个基因一个酶假说”这样简洁的语言来表述他们的思想。这个结论是遗传学家和生物化学家共同劳动的结晶,其中包含着极其丰富的科学内涵。由于这项研究,比德尔和泰特姆共同获1958年诺贝尔生理学和医学奖。

“一个基因一个酶假说”的提出,是遗传学史上一个极其重要的转折点,它不仅标志着生化遗传学的兴起,也为分子遗传学的诞生作了准备。比德尔当之无愧地被誉为现代生物技术的奠基人。

知识链接

“一个基因一个酶假说”并不是很准确,因为基因所编码的蛋白的功能是多样的,不只是酶这种形式。随着方法的进步,后来的科学家们进一步弄清楚了基因与酶的关系是建立在基因与多肽链严密对应的关系基础上的。于是科学家们将“一个基因一个酶假说”变成了“一个基因一条多肽链假说”。