果蝇：小昆虫的大成就

美国著名将领麦克阿瑟有句名言：“老兵不死”，把它用在果蝇研究上似乎也很恰当。这种只有几毫米的小小昆虫，100多年来一直活跃在生物科学研究的中心，研究它有什么意义？
　　

百年不衰的模式动物

通常，一个生物为很多研究者所用，不同研究者制造不同工具与大家共享，导致该生物体成为模式生物。果蝇就是典型的例子。别看它个头很小，其貌不扬，却是一种“资深”的模式生物，至今已有110年的历史了。果蝇与人类共享了生命和智力演化的一些成果。从遗传学研究到生命的发育研究，再到生物节律等。果蝇简约不简单，它的很多基因与人类同源。
　　

果蝇，是果蝇科果蝇属昆虫。其代表性物种——黑腹果蝇属于双翅目昆虫，体长约0.3厘米，广泛分布于温带及热带气候区，除南北极外，目前至少有1000个以上的果蝇物种被发现。果蝇的生命周期随环境温度不同而存在一定变化，在合适条件下，果蝇的平均寿命为50天左右，不到两周即可完成一个世代的交替。一只雌果蝇交配后每天能产下80~100个卵，一生可产2000个卵。在25℃环境下，22小时后幼虫就会破壳而出，并且立刻觅食。因为母体会将它们放在腐烂的水果上或其他发酵的有机物上，所以它们的首要食物来源是使水果腐烂的微生物，如酵母和细菌，其次是含糖的水果。果蝇取材方便，通常在窗户放点香蕉、苹果泥就能收集到。基于这些特点，果蝇是一种具备很多选材优点的实验动物，其个体小、易饲养、生命史短、繁殖力强、胚胎发育快、染色体少、突变型多等特点都是其他实验动物无可比拟的。
　　

黑腹果蝇在1830年首次被描述。而它第一次被用作试验研究对象则要到1901年，试验者是动物学家和遗传学家威廉·恩斯特·卡斯特。他通过对果蝇的种系研究，设法了解多代近亲繁殖的结果和取自其中某一代进行杂交所出现的现象。1908年，美国遗传学家摩尔根在哥伦比亚大学开始采用果蝇开展遗传学研究，并在1910年发现了决定眼睛颜色的白眼基因，它的变异导致了眼睛由野生型的红色变为白色。由于白眼基因位于X染色体上，其遗传与性别相关，故被定义为“伴性遗传”。人类色盲的遗传、血友病的遗传，也是伴性遗传。色盲患者多是男性，女性很少，男性色盲患者的子女一般不色盲，可是其外孙中又出现色盲，对这种现象人们过去一直迷惑不解，伴性遗传概念的提出使人明白了其中的奥妙。从此，果蝇作为模式动物越来越受到遗传学家和发育生物学家的关注和青睐。自20世纪80年代起，以果蝇作为模式动物的发育遗传学研究也带动了其他模式生物，如斑马鱼、小鼠等脊椎动物的胚胎发育研究。
　　

上帝给摩尔根的礼物

最早把果蝇引进实验室的是美国昆虫学家伍德沃什，他于1900~1901年在哈佛大学凯索尔实验室开始饲养并繁殖从野外捕获的果蝇。伍德沃什曾两度来到中国，分别于1918年和1921~1924年在南京的金陵大学蚕桑学系任教，并建立了江苏昆虫学会。在伍德沃什的建议下，凯索尔开始利用果蝇进行生物学研究，并引发了摩尔根对果蝇的兴趣。从此，小小昆虫果蝇作为模式动物正式登上了生物学的大舞台，确立了它在遗传学和发育生物学研究领域的统治地位。
　　

果蝇作为遗传学模式动物始于摩尔根。他最初是以小鼠和鸽子作为实验动物来研究遗传学，但效果并不理想。后来经朋友推荐，于1908年开始饲养果蝇，并通过物理、化学和放射等方法对果蝇进行突变。1910年5月的一天，摩尔根在实验室中发现了一只与众不同的雄果蝇——白眼果蝇。他把这只白眼雄蝇与几只红眼雌蝇进行交配，产下的1237只果蝇（称为F1代）全是红眼。摩尔根猜测白眼性状可能为隐性，为了检验这个假说，他让F1代红眼雌蝇与原来的白眼雄蝇进行交配，得到的435个后代中，雌雄果蝇各有一半红眼一半白眼，隐藏的白眼性状果然又显现出来了。在另一个实验中，他让几只F1代雌雄果蝇互相交配，获得了4252个后代（称为F2代）。他发现在F2代中红眼和白眼的数量分别为3470和782，这个比例接近孟德尔的遗传规律。

然而，奇怪的是，所有的白眼果蝇都是雄蝇，就像它们的祖父/外祖父。经过更多的杂交试验，摩尔根最终得出结论：眼睛的颜色基因与性别决定基因是结合在一起的，即在X染色体上。摩尔根与他的学生继续用果蝇做实验，到1925年已经确定这个小生物共有4对染色体。果蝇身上的各种性状都能找到一个对应的基因，且可定位到染色体的不同位置。摩尔根不仅发现控制生物遗传秘密的基因存在于生殖细胞的染色体上，还发现基因在每条染色体内是直线排列的。染色体可以自由组合，但排在同一条染色体上的基因不能自由组合，摩尔根把这种特点称为基因的“连锁”。他在长期的实验中发现，由于同源染色体的结合与重组，产生了基因的互相交换，尽管交换的情况很少发生。摩尔根不仅用果蝇证实了孟德尔定律，还发现了果蝇白眼突变的性连锁遗传，提出了基因在染色体上直线排列以及连锁交换定律，遂成为“遗传学第三定律”。
　　

令人艳羡的诺奖摇篮

通过对果蝇的研究，摩尔根提出了“染色体遗传理论”，确定了基因是遗传的基本单位，开启了遗传学研究的大门，完善丰富了基因的染色体学说，为现代基因组学研究铺平了道路，并因此荣膺1933年诺贝尔生理学或医学奖。
　　

1912年，穆勒成为摩尔根的研究生，开始其果蝇遗传学研究生涯。他在1920年离开哥伦比亚大学赴德克萨斯任教，开始尝试用不同剂量的放射线来处理果蝇，发现X射线能极大地提高果蝇的突变率（可达150倍）。很快，这种高效的诱变方法在其他模式生物中被成功复制，使得遗传物质的人工诱变简便易行，从而确定了遗传突变的物理基础。穆勒通过X射线获得了大量的果蝇突变体，被誉为“果蝇的突变大师”，并因此斩获1946年诺贝尔生理学或医学奖。
　　

利用果蝇做研究获得的第三个诺贝尔奖是1995年的诺贝尔生理学或医学奖，由德国马普研究所的纽斯莱纳—福哈德、美国普林斯顿大学的维希豪斯和美国加州理工学院的路易斯（摩尔根学生的学生）三位发育遗传学家分享。他们通过研究果蝇早期胚胎的基因调控，揭示了动物胚胎发育的遗传调控机制：为什么头在前而尾巴在后？为什么身体会分节？为什么眼睛一定长在头部，而四肢则长在行使相应功能的部位？纽斯莱纳—福哈德和维希豪斯利用穆勒的基因突变方法，通过大规模的遗传筛选，在1980年发现果蝇胚胎的前、后、背、腹位置和体节数量由30多个基因控制。这些基因按作用时间分为4个等级，即母源基因、间隙基因、配对基因和体节极性基因。路易斯则发现了控制果蝇各个体节的特化和具体功能的同源异形基因。果蝇中发现的这些基因后来也被证明存在于其他动物中并参与调节胚胎发育，显示在演化过程中，动物发育的基本机制得以保存，并不因为外表体型演化而有所改变。通过在果蝇中获得的这些研究成果，我们真正认识到基因的巨大作用，开始了解高等动物（包括人类），是如何从一个受精卵发育成一个含有各种不同细胞的复杂个体，而且每个器官和组织能够丝毫不差地准确分布在相应部位。三位科学家始于果蝇胚胎发育的研究，敲开了人类发育遗传学的大门。果蝇为进一步阐明基因-神经（脑）-行为之间关系的研究提供了理想的动物模型。
　　

果蝇研究摘取的第四个诺贝尔奖是2011年的生理学或医学奖。早在1988年，Toll基因就已在果蝇体内被发现并克隆出来，但当时对这一基因功能的了解仅限于其在果蝇胚胎背腹形成中的作用。1996年，法国科学家霍夫曼及同事发现Toll基因突变的果蝇在感染细菌或真菌后迅速死亡，他们进一步证明Toll基因编码产物除了决定果蝇的背腹发育以外，还在果蝇识别病原微生物、激活免疫反应中发挥了关键性作用。不久，Toll同源蛋白（又称为Toll类似受体），在小鼠和人类中被证明对免疫系统具有同样的重要作用。
　　

2017年，诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家杰弗理·霍尔、迈克尔·罗斯巴殊与迈克尔·杨，以表彰他们发现了昼夜节律的分子机制。经过长期演化，地球上的绝大多数真核生物以及一部分原核生物都具有生物钟，这种内源性的调节系统能够帮助生物适应环境因子的昼夜节律性变化。1971年，罗纳德·科诺普卡和西莫尔·本泽尔发现Period基因（per）的不同突变能够导致果蝇昼夜节律的周期变短、变长或使昼夜节律完全消失。然而，尽管这个生物钟基因被发现，调节果蝇昼夜节律的具体机制仍是个谜。1984年，洛克菲勒大学迈克尔·杨以及布兰戴斯大学的杰弗理·霍尔和迈克尔·罗斯巴殊团队先后独立地成功克隆了per基因。自此，科学家们开始逐步揭开昼夜节律的神秘面纱。霍尔和罗斯巴殊的团队随后发现per基因的表达产物是一种转录抑制因子，通过抑制自身的表达而产生周期约24小时的表达节律。而杨的实验室则对7000多个果蝇突变株进行分析，在1994年发现了另一个核心生物钟基因Timeless（tim）。这个基因的表达产物TIM蛋白，与PER蛋白之间有着重要的相互作用。后来，霍尔、罗斯巴殊与杨进行合作，获得了更多关于生物钟分子调节机制的关键信息。经过不懈努力，三位科学家揭示了果蝇生物钟关键组分的运作机制：在转录因子激活下，per与tim基因不断表达。而随着它们的表达产物PER和TIM蛋白的增多，这两种蛋白结合成异二聚体，在夜间进入细胞核，抑制转录因子转录活性，从而抑制per与tim自身的转录。而随着PER和TIM的降解，转录因子的激活功能在黎明时得以恢复，激活per和tim进入新的表达周期。虽然生物钟的分子调节网络远比上述部分复杂，不同生物中发挥作用的生物钟蛋白也不尽相同，但这种反馈环路模式在真核生物中是高度保守的。从真菌到昆虫、到哺乳动物，生物钟的运作机制本质上都是相似的。因此，这三位科学家的开拓性研究有着不可磨灭的重要作用。
　　

一个世纪以来，果蝇遗传学在各个层次的研究中积累了十分丰富的资料。人们对它的遗传背景有着比其他生物更全面更深入的了解。作为经典的模式生物，果蝇在21世纪的遗传学研究中将发挥更加巨大而不可替代的作用。