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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    果蠅與諾貝爾獎

                    2018-05-08 19:41:00

                      2017年10月2日,美國遺傳學家杰弗里·霍爾(Jeffrey C. Hall)、邁克爾·羅斯巴什(Michael Rosbash)和邁克爾·楊(Michael W. Young),因為利用果蠅作為模式動物發現了控制生物鐘的分子機制,而獲得2017年諾貝爾生理學或醫學獎。一種飛舞在爛水果上的小蟲子——果蠅,成為人們關注的焦點,不過這可不是果蠅第一次為科學家們贏得科學研究的最高榮譽。

                      夏天,水果一旦開始腐爛,果蠅就會尋著爛水果釋放出來的特殊氣味,成群結隊地飛到爛水果上吸食殘存的甜蜜物質或酵母菌。它們的體長一般只有2~3毫米,如果用放大鏡觀察,你會發現這些小蟲子有點像Mini版的蜜蜂,不過它們那對紅色眼睛卻是獨具特色的。一旦幾天不處理這些爛水果,果蠅們很快就會在其上面繁衍后代,不到兩周時間,它們就能繁衍一代。雌性果蠅每次產卵約400枚,不到一天的時間,幼蟲就能破殼而出。

                      跟人類一樣,果蠅也起源于非洲。大約在1萬年至1.5萬年前,它們隨著人類的腳步從非洲遷移到世界各地,進而演化出約1000種不同的果蠅。不過,最受科學家青睞的是一種黑腹果蠅,因雄性腹部為黑色而得名。

                      除了生命周期短、繁殖能力強、易于飼養和便于觀察等特點之外,果蠅還因染色體數目少,具有適合作模式動物的優勢。自20世紀初,果蠅就成為遺傳學研究的最佳模式動物。黑腹果蠅的染色體只有4對,同為模式動物的斑馬魚和小鼠染色體分別有25和20對。2000年,黑腹果蠅基因組測序完成后,科學家發現果蠅和人類基因組序列同源性高達60%,而且人體75%的已知致病基因與果蠅身上的相似,因此染色體相對簡單的果蠅非常適合人類遺傳學或疾病機理的研究。

                      研究果蠅染色體的鼻祖是美國生物學家托馬斯·亨特·摩爾根(Thomas Hunt Morgan),他利用一只偶爾得到的白眼果蠅開展了一系列雜交實驗,由此證明染色體是基因的載體,基因呈線性排列,并提出了“基因連鎖-交換定律”。也就是說,位于同一條染色體的基因會一起遺傳給后代,也有少量基因會與另一條同源的染色體上的等位基因發生交換。這一定律與孟德爾的“基因分離定律”、“基因自由組合定律”,并稱為“遺傳學三大定律”。1933年,摩爾根因為在遺傳學方面的巨大成就,獲得了諾貝爾生理學或醫學獎,同時他也成為因果蠅研究成果獲得諾貝爾獎的第一人。

                      摩爾根因為紅眼基因發生突變,幸運地得到一只白眼果蠅,繼而獲得一系列遺傳學重大發現,成為現代遺傳學的奠基人。

                      雖然基因容易發生突變正是果蠅獲得科學家們青睞的一大優勢,但果蠅的突變率非常低。摩爾根為了第一只白眼果蠅,在實驗室里苦苦尋找了兩年多,飼養和篩選了不計其數的果蠅而不得。1926年,摩爾根的學生赫爾曼·約瑟夫·穆勒(Hermann JosephMuller)發現X射線能導致基因突變,可使果蠅基因突變率提高150倍,這才提高了試驗效率。這一發現也讓輻射技術成為遺傳學研究的一項重要技術,開創了輻射遺傳學,大大加快了遺傳學研究的步伐。穆勒本人也于1946年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。

                      值得一提的是,1941年,摩爾根的另一個學生喬治·比德爾(GeorgeBeadle)放棄進行了兩年的果蠅遺傳學研究,與生化學家愛德華·塔特姆(Edward Tatum)合作,對紅色面包霉(鏈孢菌)進行X射線照射實驗,發現所有生物體內的一切生物化學過程最終都由基因控制,由此提出了著名的“一個基因一種酶”的學說,兩人也因此獲得了1958年的諾貝爾生理學或醫學獎。雖然他們不是因為果蠅研究直接獲獎,但是他們所接受到的科學訓練和獲得的研究靈感都與果蠅有關。

                      自穆勒獲獎之后的近50年,雖然果蠅一直作為模式動物,在生命科學研究中發揮著重要作用,但直到1995年,才再次幫助3位科學家獲得諾貝爾生理學或醫學獎。這3位科學家分別是來自美國加利福尼亞理工學院的愛德華·劉易斯(EdwardB. Lewis)、美國普林斯頓大學的瑞克·威斯喬斯(Eric F Wieschaus)和德國馬克斯-普朗克學院的克里斯汀·紐斯林-沃爾哈德(ChristianeNüsslein-Volhard),他們通過對果蠅突變體的研究,發現了一些控制果蠅胚胎發育的重要基因,闡明了胚胎發育的遺傳規律,為研究人類的胚胎發育奠定了重要理論基礎,因此獲得了1995年的諾貝爾生理學或醫學獎。

                      2011年,諾貝爾生理學或醫學獎授予了法國生物學家朱爾斯·霍夫曼(Jules A. Hoffmann)、美國免疫學家布魯斯·博伊特勒(Bruce Beu-tler)和加拿大免疫學家拉爾夫·斯坦曼(Ralph Steinman),以表彰他們在免疫學領域取得的研究成果。其中霍夫曼教授和同事在果蠅體內分離出一個Toll基因,并發現該基因所表達的蛋白質作為受體,能特異識別某些入侵的細菌或真菌,從而激活機體的先天免疫反應。隨后不久,博伊特勒博士和同事在人體內也發現了類似基因,它們同樣具有識別病原微生物并激活先天免疫反應的功能,是人體免疫應答的第一步。而美國洛克菲勒大學的斯坦曼教授則發現了免疫系統中的樹突狀細胞,這種免疫細胞能激活并控制獲得性免疫,將微生物清除出體內?;舴蚵热说难芯砍晒麩o疑為傳染病、癌癥以及炎癥的防治開辟了新的道路。

                      時隔6年,美國3位遺傳學家因為利用果蠅發現生物鐘的分子機制,再次斬獲諾貝爾生理學或醫學獎。這已是果蠅第5次幫助科學家們贏得諾貝爾獎,表明果蠅仍然是生命科學研究領域一種至關重要的模式動物。時至今日,很多科學家還在利用果蠅開展一系列原創研究,或許在不久的將來,果蠅還將為生命科學研究再立新功。

                    本文來自《科學24小時》

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