研究果蠅的諾貝爾獎得主2012年11月28日

 

研究果蠅的諾貝爾獎得主2012年11月28日

        全素食昆蟲─果蠅（Drosophilidae 科，Drosophila 屬），英文全名 fruit fly。希臘文中 droso 是露水的意思，phila 是喜歡的意思，人們一看便知，果蠅是喜歡潮濕環境的。牠和危害農作物的果實蠅（Trypetidae 科，Bactocera 屬）不同，果實蠅危害瓜果類果實非常嚴重，是農業技術上的一大隱憂。

圖1. 東方果實蠅，體型和大小與家蠅相似，但果實蠅比較漂亮，身體為黑褐色，胸部有磷光的黃色斑紋，腹部有黑色T字型條紋。果蠅大小約只有家蠅五分之一。

圖片來源：http://www.bbioo.com/experiment/22-3105-1.html

果蠅從1910年起，約30年期間，因為牠的體積小、生命週期短，飼養繁殖容易，具有容易觀察的四對染色體、能繁衍大量子代等優點，成為奠定古典遺傳學的主角，

圖2. 在25℃的培養溫度時，果蠅的生活週期由卵至成蟲約需11天，在18℃則加倍，在16℃則為3倍。果蠅的囊胚期(blastula)稱為blastoderm。

圖片來源：

http://biology.kenyon.edu/courses/biol114/Chap12/Chapter_12b.html

也為兩位科學家帶來了諾貝爾生理醫學獎：1933年的摩根（Thomas H. Morgan）及1946年摩根的學生密勒（H.J. Muller）。

圖3. 1933年諾貝爾生理醫學獎得主─摩根。    

圖4.1946年諾貝爾生理醫學獎得主─密勒。

 

因為研究果蠅而得諾貝爾獎的科學家：

諾貝爾獎得主(Nobel Laureate)	得獎年代	得獎原因
Thomas H. Morgan	1933	証實了基因在染色體上
H.J. Muller	1946	因為發現Ｘ射線可以引起生物變異 (X-ray mutagenesis)
Edward  B. Lewis May 20, 1918 – July 21, 2004 Eric Wieschaus Christiane Nusslein-Volhard	1995	發現果蠅DNA上的雙胸複合體( Bithorax complex )及闡明它的功能--Wikipedia 果蠅胚胎發育有關的基因

        1908年Morgan在他的實驗室裡開始用物理、化學等方法處理純品系的果蠅(fruit fly ，Drosophila melanogaster)，期望能找到一隻外表型發生變異個體的實驗。在努力了近兩年之後，他們終於獲得了一隻具白眼的雄果蠅（野生型的果蠅具紅眼的外表型）。由於這個實驗的對象為純品系的果蠅，所以他們所獲得的外表型的改變必定是來自於遺傳物質發生了永久的變異所致。據說，Morgan在獲得了這隻白眼的果蠅後，高興的將這隻果蠅帶回家去欣賞了一整晚，第二天才將其帶回實驗室，由此可見實驗的辛苦與獲得成果之不易。

(我猜傳言大概有誤，果蠅的培養溫度很重要，而家中或來回的路上很難保持恆溫吧？)

這隻白眼的雄果蠅是生物學研究史上第一隻人工誘發發生突變的生物個體。

圖5. 雄性突變白眼果蠅與純種雌紅果蠅交配，第一子代(F₁)表現型完全是紅眼睛，第二子代表現型(phenotype)比例為3：1，與孟德爾豌豆實驗結果相同。

圖片來源：維基百科

     其中果蠅研究者之父─摩根在研究果蠅遺傳之前就已是極負盛名的胚胎學家。

        直到1909年，摩根（Thomas H. Morgan，1866-1945）還發表文章說：對孟德爾主義的現代理解中，事實被快速轉化成為因子（factors）。如果一個因子不能解釋事實，馬上就求之於兩個因子，兩個還不夠，有時三個也可以。解釋結果有時需要的高級雜耍（superior jugglery），如果太天真地進行，可能會把我們盲目地帶到一個常見的地方，結果被很好地解釋了，因為發明瞭解來解釋它們。我們從事實反過來走到因子，然後，好哇，再用我們專門發明出來解釋事實的因子來解釋事實。

摩根雖然對孟德爾嘴下留情，只是說孟德爾主義的現代理解是「高級雜耍」，其實完全同樣可以用來否定孟德爾。事實上，摩根當年不僅不信孟德爾，也不信達爾文的演化論，還不信遺傳的染色體學說。可是1910年他自己發現了白眼突變雄果蠅的事實後，他做了和孟德爾一樣的交配實驗，取得的數據和比例也與孟德爾的相同。為了解釋事實，摩根不得不沿著孟德爾的思路，也提出因子，也進行拼湊數字的「高級雜耍」，最後奠定了遺傳學的現代基礎。在事實面前，摩根不得不「出爾反爾」，因為科學真理高於個人偏見，也不會敗於俏皮話的譏笑挖苦。

1928年摩根出任加州理工學院生物系主任，將果蠅實驗室搬到加州理工學院，吸引了許多年輕學子加入，路易士(Edward  B. Lewis )就是其中之一。

        黑腹果蠅的Hox基因皆位在其三號染色體上，可分為兩個群集。一群稱作雙胸複合群（Bithorax cluster，BX-C），此群集中的Ubx基因若突變，會使第3胸節（T3）變成第2胸節（T2），而且由於正常狀態下的翅膀是長在T2之上，因此這樣的突變同時會使果蠅長出兩對翅膀，並使原本長在T3上的平衡棒（haltere；雙翅目昆蟲特有的構造，源自其中一對翅膀消失）。此突變最早是卡耳文.布里吉斯（Calvin Bridges）於1915年發現。--維基百科

圖6. 黑腹果蠅的Hox基因，可分為兩個群集。

圖片來源：http://www.nature.com/scitable/content/hox-genes-in-drosophila-33246

        Lewis的貢獻，是發現一些果蠅的突變種，包括著名的雙胸突變種的基因作用機制。這突變的基因複合體稱為「雙胸複合體」（bithorax complex,簡寫為BX─C），它的性狀為原為第三胸節應長出的平衡棒（haltre,在演化上為退化的後翅）長的有點像屬於第二胸節的翅膀。

圖7. 摩根的學生Calvin Bridges於1915年發現果蠅的雙胸突變種。摩根的學生Edward  B. Lewis於後來發現了雙胸突變種的基因控制的機制(mechanism)。

圖片來源：http://biology-forums.com/index.php?action=gallery;sa=view;id=571

        這種將身體一部分構造變為另一相似構造的轉變稱為「同源異性轉變」（homeotic transformation），造成這類轉變的基因就稱為同源異性基因（homeotic gene）。後來又陸續發現一些，例如Antennapedia使觸角（antenna）變為腳，proboscipedia使口器的部分轉變為腳的構造。這種突變性顯示這些基因的功能與身體發育有關。

圖8. Antennapedia─使觸角（antenna）變為腳的突變種。

圖片來源：科學月刊1995年2月302期《斑馬魚和發生學》http://210.60.224.4/ct/content/1995/00020302/0010.htm

圖9. (a)正常的果蠅及(b)觸角肢突變種。

圖片來源：http://biology-forums.com/index.php?action=gallery;sa=view;id=574

        1995年諾貝爾生理醫學獎頒給三位研究果蠅發育的科學家：美國加州理工學院77歲的艾德‧路易士（Edward  B. Lewis），美國普林斯頓大學48歲的艾力克‧魏區豪斯（Eric Wieschaus），及德國杜賓根（Tübingen）麥克斯蒲朗克發育生物學研究所52歲的克莉斯汀‧紐斯蘭-渥荷德（Christiane Nusslein-Volhard）。

Hox genes occur in clusters, and Lewis surprised everyone by finding that the arrangement of Hox genes in a cluster mirrors the order of the body parts, from head to tail, that those genes specify; this principle is common to all animals.─ Nature vol.431   9 september 2004 P.143

        受到Lewis的啟發，Nusslein-Volhard和Wieshaus兩人於1978年（時年分別為35及31歲）聯手在一年多內，日以月繼的，在海德堡的歐洲分子生物實驗室有系統的搜尋控制胚胎早期發育的起始基因。他們將突變劑攙入食物，餵食雄果蠅，再以之與雌果蠅交配，結果產生了很多死胚胎。有些突變非常特別，例如無肌肉或皮膚由神經細胞所構成。他們進行相當大規模篩選突變的工作(saturation screen)，辛苦的用顯微鏡觀察幼蛆，最後整理出胚胎發育5000個重要的基因，以及139個必要的基因。此後幾年，用上新方法，他們以及其他科學家確認了100個以上，大部份是以前未曾發現，控制胚胎最早發育的基因。這些基因可以分為四大類，經由它們的先後作用，胚胎之構造逐步劃分，漸趨複雜，最後形成許多體節。每一體節的分化，則受到「同源基因」的調控發育成不同的構造。

圖10. 果蠅控制胚胎最早發育的基因。這些基因可以分為

四大類

1.Maternal-effect genes＝Egg-polarity genes母性效應基因＝卵極化基因、

2.Gap genes、

3.Pair-rule genes、

4.Segment polarity genes.

，經由它們的先後作用，胚胎之構造逐步劃分，漸趨複雜，最後形成許多體節。

圖片來源：http://biology.kenyon.edu/courses/biol114/Chap13/Chapter_13A.html

                請各位網友回想一下：因為研究果蠅而得諾貝爾獎的科學家中摩根夠不夠資格稱為偉大的科學家？不只因為他對遺傳學的貢獻，還在於他的勇於認錯，不遺餘力的提攜後進。1946年諾貝爾得主密勒（H.J. Muller）以及1995年諾貝爾得主艾德‧路易士（Edward  B. Lewis）都是摩根的學生，1995年諾貝爾得主Nusslein-Volhard和Wieshaus兩位又是受了Edward  B. Lewis的啟發，

台灣的基礎科學要紮根，真的就需要多一些像摩根(Thomas Hunt Morgan)這樣的人！因為基礎科學是需要傳承的。