郭曉強

美國遺傳學家劉易斯發(fā)明了互補測試，并進一步闡明果蠅體節(jié)發(fā)育與調控基因之間的共線性關系，為發(fā)育生物學研究奠定了堅實基礎，因此榮膺1995年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

生命從一個受精卵最終形成完整個體的過程稱為發(fā)育。這個過程既至關重要，又高度復雜，因此它的精細調控，無疑成為眾多生命科學家試圖破解的難題之一。1970年代末，多位果蠅遺傳學家鑒定了發(fā)育調控的一系列關鍵基因，從而為發(fā)育生物學研究打開一扇嶄新的大門，美國科學家劉易斯（Edward Butts Lewis）為此做出了奠基性貢獻。

鐘情果蠅

1918年5月20日，劉易斯出生于美國賓夕法尼亞州威爾克斯-巴里一個中產階級家庭，父親是一位鐘表制造商和珠寶商。然而，1929年席卷全球的經濟危機，給劉易斯一家?guī)砭薮鬀_擊，幸運的是在叔叔照顧下，最終渡過了難關。

劉易斯具有良好的藝術天賦。10歲時，劉易斯從叔叔那里收到一根木笛作為禮物，幾年后又從父親那兒得到一根銀色長笛，還憑借自身努力，成為當地交響樂團的一員。由于在音樂方面的成績，他獲得了一份獎學金，有機會進人藝術氣息濃厚的賓夕法尼亞州巴克內爾學院。

除藝術天分外，劉易斯還對科學尤其是生物學充滿了熱愛之情。在邁爾斯高中時，劉易斯就與摯友諾維茨基（Edward Novitski，后來也成為一名偉大的果蠅遺傳學家）一起加入學校生物學俱樂部。1933年，兩人從美國《科學》雜志上看到一則廣告，提及1美元可購買100只實驗室果蠅。當時，果蠅由于摩爾根（T.H.Morgan）及其同事的廣泛研究而成為一種明星級的遺傳學模式生物，此外果蠅由于飼養(yǎng)簡易、繁殖快等眾多優(yōu)點而受到研究人員青睞。兩人花費了俱樂部僅有的4美元，購置了果蠅和相關飼養(yǎng)設備，在學校實驗室開啟了果蠅研究的生涯。閑暇時間，兩位愛德華（Edward）到他們的“果蠅實驗室”去觀察突變體，希望找到期待中的變異果蠅。慢慢地，劉易斯喜歡上了果蠅這種“小精靈”，把它作為自己鐘愛一生的科研伴侶[2]。

由于對果蠅的癡迷和摯愛，劉易斯在巴克內爾學院僅一年時間就轉到明尼蘇達大學。他之所以選擇明尼蘇達大學，一方面是學費不貴，個人可以承受，另一方面在于能繼續(xù)從事果蠅研究。在這里，劉易斯遇到人生第一位科學導師——遺傳學教授奧利弗（C.P.Oliver）。奧利弗是摩爾根學生穆勒（H.J.Muller，1946年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者）的博士生，從這個角度講，劉易斯稱得上摩爾根遺傳學派的第四代傳人。奧利弗非常欣賞劉易斯，在自己辦公室為劉易斯準備了一個工作臺，并鼓勵他繼續(xù)做自己高中階段的果蠅研究。1939年，劉易斯從明尼蘇達大學畢業(yè)，獲得生物統計學學位。

1939年在奧利弗推薦下，劉易斯成功獲得了加州理工學院獎學金，并成為著名遺傳學家斯特蒂文特（A.H.Sturtevant）的學生。斯特蒂文特是摩爾根學生，這樣劉易斯也得以升為摩爾根學派第三代，不過更重要的是，劉易斯真正開始了自己的果蠅科研生涯，從早期的單純愛好轉變?yōu)榻K身事業(yè)。

果蠅遺傳

在加州理工學院，劉易斯的研究重點在于探索染色體上基因位置對表型的影響。他發(fā)現，存在兩種果蠅眼睛形態(tài)異常的突變體，但無法確定這兩種突變體究竟是由相同的基因控制，還是受兩個基因影響。經過縝密思考，劉易斯開創(chuàng)了著名的順反測驗（cis-trans test），又稱互補實驗?！绊樂础币辉~借鑒了有機化學概念，如2-丁烯有兩種同分異構體，兩個甲基在雙鍵同側稱順式，在對側則稱反式。在此以紅眼果蠅遺傳為例來理解順反測驗原理。野生型果蠅眼睛是紅色，這是因為紅色的形成由兩個基因A和B控制，如果A或者B突變形成a或b，則喪失紅色合成能力，因此純合aa或bb為白眼果蠅。讓雙基因純顯性AABB與雙基因純隱性aabb雜交，其F1代為AaBb，由于A和B在同一條染色體上，即為順式結構，果蠅表型為紅眼（野生型）。讓單基因純顯性和單基因純隱性果蠅AAbb和aaBB雜交，產生的F1代基因型為AabB，由于A和B在兩條染色體上，因此二者為反式關系。此時可能有兩種表型，若為紅眼，則意味著表型互補，表明A和B為兩個不同基因;若仍為白眼，則說明互補失敗，因此a和b應為同一基因內部不同位置的突變。順反測驗為鑒別表型相同的兩個甚至多個突變體，究竟由相同還是不同基因控制，提供了有效的研究手段，即使今天仍是經典遺傳學的基本方法之一。尤其重要的是，順反測驗為劉易斯將來進行果蠅發(fā)育研究奠定了堅實基礎。

劉易斯又鑒定出多種果蠅突變體的相關基因，并利用順反測驗確定了它們之間的關聯，因此于1942年獲得理學博士。這也意味著果蠅遺傳學領域的一顆新星正在冉冉升起。

1941年底爆發(fā)的珍珠港事件，促使美國投入第二次世界大戰(zhàn)，也打斷了劉易斯進一步深造的計劃。為服務軍隊，劉易斯學習了一年的氣象學知識，并隨后加入美國空軍，負責駐扎在太平洋軍艦上的氣象預報工作。

1946年，從戰(zhàn)場歸來的劉易斯重回加州理工學院，再次開啟自己鐘愛的果蠅事業(yè)。當時恰逢著名遺傳學家比德爾（G.W.Beadle，1958年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者）從斯坦福大學轉到加州理工學院并擔任生物系主任，他對果蠅同樣情有獨鐘。當時加州理工學院尚缺一名果蠅倉庫保管員，于是招募自己的學生帕梅拉（Pamela Harrah）負責此事，并將她介紹給劉易斯相識。雙方一見鐘情，不久走人婚姻殿堂。婚后的帕梅拉既是劉易斯生活上的伴侶，彼此相敬如賓;又是劉易斯在科研上的助手，兩人夫唱婦隨。劉易斯負責誘導果蠅突變和進行雜交實驗，帕梅拉負責鑒定和篩選果蠅突變體。

果蠅發(fā)育

果蠅屬于節(jié)肢動物門昆蟲綱，其身體基本結構從前到后分為頭部（head）、胸部（thorax）和腹部（abdomen），各部又可進一步分節(jié)，如胸部3節(jié)（T1—T3）、腹部8節(jié)（A1—A8），其中第二胸節(jié)（T2）生長一對翅膀。1915年，摩爾根的學生布里吉斯（C.B.Bridges）發(fā)現一種發(fā)育異常的果蠅突變體，竟然長出兩對翅膀。解剖發(fā)現，這是源于第三胸節(jié)（T3）轉換為第二胸節(jié)（T2），從而獲得了翅膀生長的能力。這種突變被命名為同源異形（homeosis），這種果蠅則被稱為雙胸突變體。后又鑒定出另外兩種異形突變體，分別稱超級雙胸果蠅和雙胸樣果蠅。由于通過遺傳作圖發(fā)現了控制這些性狀的三個基因，緊密排列在同一條染色體上，因而將其統稱為雙胸基因復合物（bithorax gene complex，BX-C）。布里吉斯一直試圖揭開其中的謎題，遺憾的是因早逝而未能完成，但他慷慨捐出異形果蠅和自己的研究數據，以期后人來實現他未盡的心愿。

劉易斯很早就熟悉異形果蠅，但苦于沒有思路而一直未接觸這一課題。1951年的一天，劉易斯突發(fā)奇想，決定接受這個挑戰(zhàn)，全面研究BX-C調控果蠅發(fā)育的機制。當時他沒有料到，此后自己花費了近30年時間才取得重大突破。

劉易斯首先采用X射線照射和化學誘導的策略，制備更多的果蠅異形突變體。意想不到的是，這些突變基因都位于同一條染色體。

劉易斯因此將這些基因分為幾個亞類，BX-C只是其中之一。他隨后采用X射線照射，引發(fā)發(fā)育相關基因的大片段缺失，并通過進一步的單基因回補策略，來判斷特定基因的功能。在基因工程與轉基因技術尚未誕生的年代，劉易斯只能借助果蠅雜交的方法實現回補效應，困難程度可想而知。由于果蠅發(fā)育本身的復雜性和技術手段的局限性，劉易斯幾十年如一日地重復著果蠅誘變、雜交、觀察、篩選和統計等工作，以期從繁雜的數據中梳理出科學真相。此外，劉易斯還時刻關注著生命科學的最新進展，如操縱子學說提出后，他迅速將該理論應用到發(fā)育調控研究，在拓展認識上得到重要幫助。他還特別看重學術討論，從中汲取了大量有價值的思想與觀點。

1978年，劉易斯發(fā)表了發(fā)育生物學領域一篇具有里程碑意義的論文，總結回顧了自己近30年來關于BC-X復合物及相關基因調控果蠅發(fā)育的研究成果。在這篇論文中，劉易斯主要提及兩個重大發(fā)現：首先定義了9類發(fā)育相關基因，這些基因與9個體節(jié)（T3和A1—A8）呈共線性關系，即一類基因控制一個體節(jié)發(fā)育，并且基因在染色體上的排布與果蠅體節(jié)的順序呈現嚴格的一一對應關系;其次發(fā)現了許多發(fā)育調節(jié)基因，如BC-X復合物，可通過影響其他基因的表達（激活一類基因表達，同時抑制另一類基因表達）而執(zhí)行生物學功能。

劉易斯對果蠅發(fā)育的高度洞察力、科學思維的獨創(chuàng)性、科研過程獨有的個人魅力以及近乎完美的天才解釋，革新了大家對發(fā)育過程的理解。劉易斯常一人躬耕于實驗室，以果蠅為伴，與科研為伍。這種看起來有點“愚笨”的研究策略、這種專注和執(zhí)著，代表了那個時代科學家的高貴品質。即使在幾十年無明顯進展的情況之下，仍然義無反顧，甘坐“冷板凳”，追求這個在當時看來“冷門”的領域。

1978年文章的發(fā)表，立刻引起學術界極大的關注，“卅年窗下無人問”的劉易斯，可謂“不鳴則已，一鳴驚人”。眾多科學家迅速加入果蠅發(fā)育領域，而該領域也迅速成為生命科學研究的一大熱點。因此可以說，劉易斯以一人之力，在一定程度上扭轉了發(fā)育生物學研究的走向。德國女科學家福爾哈德（C.Niisslein-Volhard）和美國遺傳學家威紹斯（E.F.Wieschaus）采用化學誘變策略，制備出眾多新型的果蠅異形突變體，進一步鑒定出更多的發(fā)育調控基因，從而拓展和延伸了劉易斯的成果。1995年，三位科學家憑借著對“早期胚胎發(fā)育遺傳控制”原理的發(fā)現，分享了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

劉易斯發(fā)現的另一大意義在于，促使科學家開始研究BY-C復合物的具體生物學功能。進入1980年代，研究人員借助基因測序的方法，鑒定出這些異形基因都包含一段180個堿基的保守序列，命名為異形框（homeobox），其對應的60個氨基酸則被稱為同源異形域（homeodomain）。因此，異形基因實際上編碼的是一類轉錄調控因子，這些轉錄因子通過保守的同源異形域與靶基因特定的DNA序列結合，從而發(fā)揮轉錄調控作用。這些研究極大地加深了對發(fā)育過程的理解與認識。

進化及癌癥研究

劉易斯很早就對進化抱有濃厚興趣。最初的關注點在于新基因產生的原理。1951年，劉易斯在前人工作的基礎上提出，同源基因之間通過不對等重組，可產生串聯重復基因，進一步借助突變而使基因功能發(fā)生分化，最終形成基因簇結構。

果蠅發(fā)育基因異形框的發(fā)現，促使科學家開始尋找其他生物發(fā)育基因的特征，結果在哺乳動物中發(fā)現廣泛存在一般稱為Hox的基因，它們是進化上最保守的基因家族。人類擁有39個Hox基因，可被進一步分為四個亞類，分別定位于四條染色體。后來借助基因敲除技術，證明Hox基因控制小鼠胚胎發(fā)育也遵循共線性規(guī)則。這一發(fā)現使得劉易斯的科學貢獻得到極大提升，也使科學家意識到發(fā)育是一個高度保守的過程。該發(fā)現也是利用果蠅等模式動物研究人類疾病發(fā)生機制的重要理論基礎（同源基因具有保守的生物學功能）。

上述發(fā)現還徹底改變了對器官進化過程的理解，例如同源器官（homologous organ）。同源器官是指不同生物的某些器官在基本結構、彼此間相互關系以及胚胎發(fā)育過程等方面具一定相似性，但外形并不相似，功能也有差別，如鳥的翅膀、蝙蝠的翼手、鯨的胸鰭、狗的前肢以及人的上肢等。異形框的發(fā)現為同源器官的演變過程提供了重要支持，引發(fā)了生命進化研究與發(fā)育學的融合，進而誕生了一門新學科——進化發(fā)育生物學。劉易斯本人也以果蠅為模型，來研究進化進程。他觀察到，四翅突變果蠅與蜻蜓非常相似，而十胸節(jié)突變果蠅又和蜈蚣類似等，從而提示了不同昆蟲之間有著進化上的關聯。

1950年代，劉易斯在研究果蠅胚胎發(fā)育之謎的同時，還從事了另一項重要研究，即輻射對人類健康的影響。關于輻射，主流觀點認為存在閾值效應，低于一定劑量（閾值）就不會增加癌癥發(fā)生風險。憑借著在果蠅突變體制備方面的豐富經驗，劉易斯敏銳意識到這一說法存在重大問題。他和好友對廣島與長崎遭受原子彈襲擊的幸存者進行了實地調查，還對接觸放射線的臨床醫(yī)生及患者的白血病發(fā)生情況進行了分析，最終得出結論：輻射劑量與白血病發(fā)生呈線性關系，并不存在所謂的安全輻射閾值。1957年，劉易斯發(fā)表了這一結果，立刻引發(fā)了一場爭論，最終他用詳實的數據表明了自己理論的正確性。

功成身就

1988年，70歲的劉易斯從自己奉獻一生的科研崗位退休，但并未離開實驗室和所鐘愛的果蠅。即使在去世前一個月，他仍在實驗室里忙碌，并完成人生的最后一篇論文。劉易斯實驗記錄本的最后一行，清晰記載了“果蠅雜交53 446”這個數據，代表自1941年第一次雜交開始，在漫長60多年科研生涯中，劉易斯完成的雜交實驗總次數（近900次/年）。2004年7月21日，劉易斯因前列腺癌而在帕薩迪納當地的亨廷頓紀念醫(yī)院去世，享年86歲。

劉易斯在科研上堪稱人生贏家，除諾貝爾獎外還獲得美國遺傳學會摩爾根獎章（1983年）、加拿大加德納基金會國際獎（1987年）、以色列沃爾夫醫(yī)學獎（1987年）、美國國家科學獎章（1990年）、拉斯克基礎醫(yī)學獎（1991年）和美國哥倫比亞大學霍維茨獎（1992年）等，可以說把相關的重要獎項囊括無遺，算得上贏了個科學獎的大滿貫。1968年，劉易斯當選美國科學院院士，此外還是英國皇家學會外籍會員（1989年）。

劉易斯整個科研生涯都以“特立獨行”著稱。他很少發(fā)表論文，因為篤信從事科研唯一動力就是興趣。他的思維受英國哲學家羅素（B.Rusell）影響甚大，非?？粗爻橄笏季S在科學研究中的重要性，非常喜歡從錯綜復雜的數據中抽絲剝繭，找到科學原埋所在。在長期研究不被主流看好的壓力下從不氣餒，一如既往地堅守自己的信念。

劉易斯繼承了摩爾根學派的優(yōu)良傳統，那就是不指派具體研究課題給研究生或博士后，相反鼓勵他們自我探索，因為他相信，興趣和方向是學生自發(fā)形成的而非外界強加的?？赡芨@個緣故有關，他一生培養(yǎng)的學生數量有限。劉易斯在科研上還非?？犊蠖?，免費為同行提供研究材料和相關信息，尤其對剛進人果蠅研究領域的年輕人更是關愛有加，大力提攜，幫助他們迅速成長為領域內佼佼者。他的科學成就和個人魅力也吸引了眾多年輕學子加入果蠅遺傳和發(fā)育研究這個領域并加以發(fā)揚光大。值得提及的是，劉易斯算得上當仁不讓的摩爾根衣缽傳人。摩爾根最得意三位弟子穆勒、特蒂文特和布里吉斯均影響了他。劉易斯跟隨穆勒的學生走進了果蠅研究殿堂，跟隨特蒂文特掌握了揭開果蠅之謎的鑰匙，沿著布里吉斯足跡最終榮登諾貝爾獎領獎臺。1966年，劉易斯成為摩爾根講座教授。

2018年，恰逢劉易斯一百周年誕辰，撰此文以示懷念。

[1]The Nobel Prize Organisation.Edward B.Lewis.https：//www.nobelprize.org/prizes/medicine/1995/lewis/facts，2019-02-17.

[2]Crow J F，Bender W.Edward B.Lewis，1918-2004.Genetics，2004，168（4）：1773.

[3]Duncan I，Montgomery G E B.Lewis and the bithorax complex：Part I.Genetics，2002，160（4）：1265.

[4]Sakonju S.Remembering the year with E.B.Lewis.Dev Dyn，2005，232（3）：547.

[5]Lewis E B.The bithorax complex：The first fifty years.Int J Dev Biol，1998，42（3）：403.

[6]Lewis E B.A gene complex controlling segmentation in Drosophila.Nature，1978，277（5688）：565.

[7]Duncan I，Montgomery G E B.Lewis and the bithorax complex：Part II.From cis-trans test to the genetic control of development.Genetics，2002，161（1）：1.

[8]Lipshitz H D.From fruit flies to fallout：Ed Lewis and his science.Dev Dyn，2005，232（3）：529.

[9]Lewis E B.Leukemia and ionizing radiation.Science，1957，125（3255）：965.

[10]Duncan I，Celniker S E.In memoriam：Edward B.Lewis（1918-2004）.Dev Cell，2004，7（4）：487.

關鍵詞：劉易斯 ?果蠅 ?發(fā)育 ?共線性 ?癌癥