60年前她早就用玉米彻底颠覆了遗传学

编辑 | 新锐恒丰研究院

来源| SME

作者 | SME（已授权）

生物学上，孟德尔遗传定律可以说是遗传学不倒的旗帜。但世界之大无奇不有，并非所有生物都愿意服从。比如说在裂殖酵母就发现了违反孟德尔定律的自私基因。事实上，常见的玉米就是一个隐藏极深的叛徒。

根据孟德尔定律，绝大多数生物的基因是成对存在的，都有相同的概率传递给后代。但近期，美国佐治亚大学遗传学教授 Kelly Dawe 及其团队发现：许多玉米的某个基因硬是使用“障眼法”能在大约  75%  的时间里传递给下一代。因此，这些身为作弊者的玉米不仅打破了孟德尔的铁律，未来还可能会产生新的规则。

你以为玉米只有这种程度敢说是叛徒？大约  60  年前，它就为人类带来了破天荒的“基因转座”的发现，彻底颠覆了人们对遗传学的认知。 如今，这一划时代的发现在基因工程、分子生物学、发育生物学、疾病预防、转基因等方面得到了广泛的应用。然而，它的发现者芭芭拉·麦克林托克却因此遭到同行的奚落、嘲讽与冷落。直到 30 多年后，她的研究成果才终获认可，并一人独揽了诺贝尔生理学或医学奖。

芭芭拉·麦克林托克在诺奖的讲座

我们知道在遗传学的研究中有三大法宝，分别是果蝇、豌豆和玉米。其中，玉米更是因为种子数量大（每一颗玉米粒都能充当种子）、繁殖周期短等优点备受研究者的喜爱。20 世纪初，康奈尔大学对玉米遗传学研究的热衷程度，就可与风靡一时的果蝇遗传学相媲美。 作为那里的一名学生，芭芭拉·麦克林托克自然地选择了研究玉米。

康奈尔大学

芭芭拉从小就因为喜欢学理科而不被看好，但最后成功取得了植物遗传学博士学位而成为女科学家。在当时女性并不受重视的科学界，她的科研之路似乎走得更加艰辛。她总是需要为自己独立的研究四处奔波去教课或是寻求寥寥无几的财政援助。庆幸的是，她情有独钟的“帮手”玉米非但没让她失望过，还总是给她带来惊喜。每当她在遗传学上遇到无法解答的问题，第一时间就想到从玉米中获取奇妙的回答。

为了揭开染色体和基因的奥秘，她就乐此不疲地去种玉米，掰棒子，用显微镜认真观察玉米籽粒和叶片。凭借着当时新发明的制片方法，她细心地分辨出玉米染色体的长度、形状及排列方式等。在她的一番努力下，她还发表了一系列基于玉米实验的高质量遗传学论文。1931 年，她与研究生哈丽特 ·克赖顿更是发表了一篇具有里程碑式的论文。论文中提出的实验证据，令人信服地证实了基因与染色体之间的关系，这也成为证实基因存在于染色体上的最后一个证据。

就这样，她凭借着对玉米的研究在科学界声名鹊起，也使玉米遗传学得到了更多人的重视。可惜的是，由于体制对女性的偏见，她很长时间都没能得到稳定的职务。为此，她还曾在朋友的实验地种玉米，借用别人的实验室来进行研究。后来好不容易当上密苏里大学的助理教授，但她的薪资总少于其他男研究员，远不够后续的研究花销。好在，她一开始并不在意这些，只想好好搞她的研究。

就算她靠着实打实的科研能力成为了美国遗传学会的副主席，但这一切对她的工作丝毫没起到什么帮助。 她仍旧被排除在各种教师交流活动之外，看不到任何提升的希望。

心灰意冷之下，她于 1941 年离开了大学，来到了冷泉港实验室工作。

冷泉港实验室

之后，她的事业才慢慢有了起色，并于1944年当选为美国科学院院士，次年被任命为美国遗传学会主席。当时的她已打破了人们对女性固有的偏见，被公认为仅有的几位出类拔萃的女性科学家之一。然而，她花费了大半生辛苦打拼下来的荣誉却差点因为一个划时代的发现而覆灭。

其实，早年对玉米的研究中，芭芭拉就发现在某些玉米籽中发现了玉米色素显现着一些稀奇古怪的模式。她观察到玉米籽粒颜色的遗传十分不稳定，有时籽粒上还出现一些毫无规律可言的斑点。当时遗传学家普遍认为这些现象是由基因突变导致的，没什么好稀奇的。可芭芭拉显然对这一笔带过的答案不满意，她希望调查清楚背后的真正原因。

她每天认真地在玉米地里观察玉米籽粒和玉米叶子颜色发生的复杂变化。然后，她将采下的材料带回实验室，在光学显微镜下研究玉米染色体的断裂和重组情况。通过耐心的记录和仔细的分析后，她发现使籽粒着色的色素基因是会在某一特定位置上“接上”或者“拉断”的。 可这些变化并不能用现有的任何理论来解释，她心里清楚这将会带来新的发现。

为了严谨起见，她整整观察了6年，积累了大量的实验证据，方才总结出玉米身上那些奇怪色斑背后隐藏的真相。她欣喜不已地将它们撰写成两篇论文《玉米易突变位点的由来与行为》、《染色体结构和基因表达》，并于 1951 年进行了发表。她在论文中指出，遗传基因是可以移动的，能从染色体的一个位置跳到另一个位置，甚至从一条染色体跳到另一条染色体上。简单来说，基因像是会跳舞的精灵一样能在染色体上“跳跃”。

她将这些自发转移的遗传基因称为“转座因子”，并指出它们除了具有跳动的特性之外，还有控制其他因子开闭的作用。之后不久，她又详细归纳总结出了从玉米中发现的"Ds Ac转座调控系统"。假设基因C是控制产生某种色素的结构基因。而在它附近，有一个Ds基因(称为解离因子)能以一定的速率关闭C基因的表达，使色素不能合成。一旦Ds基因如果离开C基因，即从原来位置上断裂或脱落，C基因又重新得以表达，籽粒表现原有的颜色。

该图中10的种子是无色的，没有Ac基因的存在。在11到13之间，有一份Ac的副本。Ds可以移动，一些花青素产生，形成一个马赛克图案。在面板14的内核中有两个Ac元素，在15个中有三个。

然而，Ds 基因能否发生作用，也就是说能否从染色体上解离，又受到第三个基因Ac(称为激活因子)的支配。当 Ac 基因存在时，Ds 基因从染色体上解离，从而解除了它对C基因的抑制。当 Ac 不存在时，Ds 不解离，C 基因便受到抑制。这些控制因子跳动得如此之快，使得受它们控制的颜色基因时关时开，于是玉米籽粒便出现了斑斑点点。

可在那个年代，科学界还没有真正揭开染色体的面纱。大家都认为，基因是一种很稳定的东西，它们在染色体上的位置是固定不变的，有一定的位置、距离和顺序。人们从未认识到，更想象不到基因会从一处跳到另一处。这一超越科学家认知的实验结果根本没有愿意相信，几乎所有的科学家们都认为是“这个女人简直是疯了”。就算芭芭拉在会议上列举了大量细胞学证据来支撑自己的说法。然而，当时就是无人愿意静听她的推理和论断，还将它们统统归为是“走火入魔”的臆想。

不过，她始终相信自己多年来的实验成果，从未改变。这使得她被视为是科学界的异类，多年积累的威望也一下子从光辉的顶点跌落谷底。她被遗传学界摒弃了，朋友和同事都也渐渐疏远她。她只好离群索居，孤身一人继续进行玉米的研究。自从 1953 年以后，她也就没有再未发表过自己的理论了。

直到 1961 年，法国科学家 Jacob 和 Monod 提出了乳糖操纵子模型，揭示了生物体内基因调控的机制。乳糖操纵子位于大肠杆菌及其他肠道菌科细菌内。它包含了三个相连的结构基因、启动子、终止子及操纵基因。这些基因的跳动可以操纵和控制乳糖的运输以及代谢。

乳糖操纵子模型

得知此消息的麦克林托克十分兴奋，在她看来乳糖操纵子模型和她的转座系统简直如出一辙。科学界很快便接受了 Jacob 和 Monod 的学说。为了能再次引起科学界对她的研究成果的重视，她又专门写了一篇论文《玉米和细菌基因控制体系的比较》。可等到Jacob 和 Monod 获得了 1965 年的诺贝尔奖，依旧没有人愿意接受她的转座因子。他们仍然把她的理论视为另类和异端，可明明就是类似的模型，为什么唯独不能接受她的理论呢？

这给刚刚燃起希望之火的她又泼了一盆冷水，幸好她已习惯了这样的漠视。她说，这些年的经历告诉我，要改变一个人对自然科学的认知是十分艰难的，这样的改变需要经过时间的打磨。直到 60 年代中后期，当人们运用遗传工程这种强有力的新工具时，终于在细菌中发现了“转座子”。这才激起了人们对芭芭拉研究工作的兴趣。整个 70 年代，分子遗传学家也找到了越来越多可移动或可转移的遗传因子。这些因子不仅存在于细菌中，同时也存在于较高等的动植物当中。

一段细菌DNA的转座子

人们才惊讶地发现是科学界用了 30 多年才追赶上她的理论。他们也承认用芭芭拉的术语“转座因子”来说明所有能够插入基因组的 DNA 片段。1983 年，已经 81 岁的芭芭拉终于得到了世人的认可，终于走上了诺奖的领奖台。她也成为了历史上第一位独自拿到诺奖的女科学家。这份迟到了30多年的荣誉终于来到了她的身边。卡洛琳医学院还将芭芭拉的成就比之为一百年前遗传学的伟大先驱孟德尔的成就。

如今，转座子的理论不断得到延伸和扩展，还被应用到基因工程、疾病预防、转基因等前沿的生物学上，为人类不断带来了新的技术突破。不过，芭芭拉已经于 1992 年离开了人世。她一生未婚，也没有孩子。但若不是芭芭拉一辈子对玉米的坚守，也许我们今日仍无缘与“基因转座”相识。

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