"Look at the stars. Look how they shine for you. And everything you do. Yeah they were all yellow."—— Cold play《Yellow》
撰文 | 孫夢(mèng)逸
責(zé)編 | 陳曉雪
一百多年以前，現(xiàn)代遺傳學(xué)之父、托馬斯·亨特·摩爾根著名的 “果蠅房”（Fly room）里面誕生了一批奇形怪狀的果蠅突變體。利用這批突變體，年輕的本科生阿爾弗雷德·斯特蒂文特（Alfred Sturtevant）開展了日后成為經(jīng)典的基因定位（Genetic mapping）實(shí)驗(yàn)。在第一批果蠅突變體里面，有一個(gè)突變體，全身泛著金黃色的光澤，于是就被起名為“阿黃”。阿黃之所以那么黃，是因?yàn)橐粋€(gè)叫做“黃”（Yellow）的基因突變所導(dǎo)致的。少為人知的是，“黃” 除了影響果蠅的體色，還能夠影響果蠅的求偶行為。果蠅的求偶有一整套繁復(fù)的儀式：成功交配之前，雌性果蠅會(huì)不斷地移動(dòng)，而雄性果蠅需要找到合適的角度，通過扇動(dòng)翅膀，向雌性果蠅唱出頻率特殊的 “情歌”。而早在1915年，斯特蒂文特就發(fā)現(xiàn)，可憐的阿黃，追不到姑娘…… 它們經(jīng)常會(huì)一連幾個(gè)小時(shí)繞著雌性果蠅兜圈子唱歌，卻不能開始交配。而它們的生殖系統(tǒng)顯然是沒有問題的：只要開始交配，它們總是能夠成功地產(chǎn)下后代。
那么，是不是因?yàn)榘ⅫS那與眾不同的外表，果蠅姑娘不喜歡呢？1956年的時(shí)候，牛津大學(xué)的瑪格雷特·巴斯托克（Margaret Bastock）細(xì)致地分析了雌果蠅在求偶過程中對(duì)于阿黃和野生型雄果蠅的反應(yīng)，基本排除了這個(gè)可能性。在瑪格雷特的年代，大家已經(jīng)知道阿黃是由單基因突變（“黃”突變）引起的，因此，瑪格雷特也在發(fā)表的文章里面第一次明確提出，應(yīng)該從單基因的角度，去研究動(dòng)物行為學(xué)。十多年之后，沿著這一思路，西摩·本澤（Seymour Benzer）和他的弟子們，掀起了行為遺傳學(xué)的革命。
“黃” 能夠影響果蠅的體色，是因?yàn)檫@個(gè)基因參與果蠅黑色素（melatonin）的合成。一旦“黃”突變了，黑色素不能完全合成，果蠅的體色就會(huì)泛黃。然而“黃”為什么能夠影響果蠅的行為，卻一直是個(gè)未解之謎。
直到我的朋友，隔壁實(shí)驗(yàn)室的喬恩·馬西（Jon Massey）開始探索這個(gè)基因的秘密。
照片中這位眼神略帶憂郁的小哥，就是比我高一級(jí)的馬西。馬西給我的第一印象，是他十分的友善，也十分的勤奮，而且還富有幽默感……他在系里每次報(bào)告他的工作，都能給聽眾帶來許多歡樂。
馬西所在的實(shí)驗(yàn)室，是在演化發(fā)育（Evo-Devo）領(lǐng)域小有名氣的翠莎·維特科普（Patricia Wittkopp）實(shí)驗(yàn)室。翠莎博士師承美國(guó)科學(xué)院院士，肖恩·卡羅爾（Sean B Carroll）。肖恩可說是演化發(fā)育（Evo-Devo）領(lǐng)域的先行者，他尤其對(duì)基因調(diào)控的變化如何導(dǎo)致物種的參差多態(tài)感興趣。而昆蟲體色的演化，正是這方面極好的例子。自然而然的，翠莎在博士研究生期間的工作，是研究“黃”這個(gè)基因在果蠅中的調(diào)控演化如何影響不同果蠅體色的變化。她對(duì)“黃”這個(gè)基因的歷史，可說是門兒清。不過在博士之后，翠莎把目光轉(zhuǎn)向了宏觀層面基因表達(dá)的演化?！包S”則被冷落了很多年，直到馬西的加入。
馬西的本科和碩士，做的都是有關(guān)昆蟲行為的工作，因此一直對(duì)昆蟲行為的演化非常有興趣。在了解到 “黃” 鮮為人知的歷史以后，一下子就被這個(gè)問題所吸引，并決定挑戰(zhàn)這個(gè)百年未解之謎。在做這個(gè)決定的時(shí)候，他大概沒有預(yù)料到這會(huì)是多么曲折的一個(gè)旅程。他首先想尋找的，是“黃”到底在哪些細(xì)胞里面起作用。不巧的是，“黃”差不多在所有的細(xì)胞里面都有表達(dá)。所以第一步要做的是縮小篩選的范圍。
直覺上，影響行為的基因，最有可能通過影響神經(jīng)系統(tǒng)起作用，畢竟神經(jīng)系統(tǒng)是控制行為的中樞。之前對(duì) “黃” 與行為關(guān)系的研究雖然稀少，但有限的幾個(gè)證據(jù)，都指向這個(gè)基因可能參與神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)作：第一， “黃” 在神經(jīng)系統(tǒng)里面有表達(dá)；第二， “黃” 在神經(jīng)系統(tǒng)里面的表達(dá)，受到一個(gè)能夠?qū)壗慌湫袨橛兄卮笥绊懙幕?，無果基因（Fruitless）的調(diào)控；三，“黃”參與的黑色素合成的通路，是和合成神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺緊密連接的。因此，合理的思路，當(dāng)然是去尋找“黃”對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的影響。
既然無果基因能夠影響 “黃” 基因的表達(dá)，而無果基因?qū)壗慌湫袨橛秩绱酥匾?，那么，是否“黃”就是在表達(dá)無果基因的細(xì)胞里起作用呢？基于這個(gè)猜測(cè)，馬西設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)。
第一組實(shí)驗(yàn)，是在野生型果蠅表達(dá)無果基因的細(xì)胞中降低“黃”的含量。假設(shè)“黃”是通過影響這些細(xì)胞影響果蠅行為，那么當(dāng)這些細(xì)胞中“黃”的含量被人為地降低，野生型果蠅的求偶成功率應(yīng)該也會(huì)降低。第二組實(shí)驗(yàn)，是在阿黃表達(dá)無果基因的細(xì)胞中提高未突變的“黃”含量，基于同樣的假設(shè)，過表達(dá)的“黃”應(yīng)該能夠提高阿黃的求偶成功率。
讓人沮喪的是，馬西沒有觀測(cè)到任何不同的表型……野生型果蠅依然那么成功，而阿黃還是追不到姑娘。
不過話又說回來，通常做一個(gè)研究項(xiàng)目，第一個(gè)實(shí)驗(yàn)方向，都是失敗的方向。這種小小的挫折，應(yīng)該也算不上什么。馬西和他的小伙伴們，很快把目光轉(zhuǎn)向了另一個(gè)能夠控制“黃”表達(dá)的基因。這個(gè)基因叫做雙性（Doublesex）。顧名思義，這個(gè)基因也是果蠅影響果蠅性行為的一個(gè)重要基因。馬西和他的小伙伴們故技重施，又做了兩組實(shí)驗(yàn)：在野生型果蠅表達(dá)雙性基因的細(xì)胞里面降低“黃”的表達(dá)，以及在阿黃表達(dá)雙性基因的細(xì)胞里面過表達(dá)“黃”。這一次，他們成功觀察到了預(yù)期的結(jié)果：野生型果蠅變得情場(chǎng)失意，而阿黃這次追到了姑娘。整個(gè)研究似乎一下子柳暗花明。
值得一提的是，這個(gè)關(guān)鍵結(jié)果，是由一位出色的本科生，Daayun Chung 做出來的，現(xiàn)在在美國(guó)西北大學(xué)神經(jīng)科學(xué)系讀博。這不由讓人想起斯特蒂文特在做出關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，也只是一個(gè)本科生，實(shí)在是冥冥中自有天意。
針對(duì)雙性基因的一系列實(shí)驗(yàn)表明，“黃”很有可能是在表達(dá)雙性基因的果蠅細(xì)胞里面起作用而影響到果蠅的交配的。馬西于是決定從表達(dá)雙性基因的神經(jīng)組織下手。他開始嘗試分別在多巴胺神經(jīng)元、五羥色胺神經(jīng)元、谷氨酸神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞等細(xì)胞里面降低“黃”的表達(dá)。然而，不管在哪個(gè)細(xì)胞里降低“黃”，野生型果蠅表現(xiàn)都很堅(jiān)挺。絕望之下，他甚至嘗試把所有神經(jīng)細(xì)胞里面的“黃”都降低，結(jié)果依然是不顯著。
那么，難道這個(gè)項(xiàng)目，就要終結(jié)在這里嗎？
位于弗吉尼亞州勞登縣的珍妮亞農(nóng)場(chǎng)研究所，是當(dāng)今神經(jīng)科學(xué)研究的圣地。2017年的時(shí)候，馬西獲得了一個(gè)獎(jiǎng)學(xué)金，可以去珍妮亞農(nóng)場(chǎng)做一段時(shí)間的訪學(xué)研究。他訪學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，是研究果蠅行為的專家，大衛(wèi)·斯特恩（David. L. Stern，不是NBA那個(gè)）。
他加入斯特恩的實(shí)驗(yàn)室之后，就迫不及待地和大衛(wèi)聊起了他的研究項(xiàng)目。大衛(wèi)聽完了以后，微微一笑，給他提了一個(gè)建議。
這里要先介紹一點(diǎn)背景。珍妮亞農(nóng)場(chǎng)獨(dú)步天下的絕技，是他們各種尺度的生物成像技術(shù)。從生物大分子尺度的攝像，到宏觀動(dòng)態(tài)的生物行為錄像，技術(shù)水平都是當(dāng)世最好的幾個(gè)地方之一。2014年以超分辨率熒光顯微鏡獲得諾貝爾獎(jiǎng)的中科大女婿，埃里克·貝齊格（Eric Betzig），就是珍妮亞農(nóng)場(chǎng)的研究人員之一。
結(jié)合這個(gè)背景，大衛(wèi)的建議是：“也許你們對(duì)果蠅求偶行為的觀察還不夠細(xì)。這里有最先進(jìn)的高速攝像儀，通過這個(gè)攝像儀，你們可以獲得大尺度，高清無碼的果蠅求偶錄像。也許通過觀看這些錄像，你們能夠找到線索?！?/span>
一言驚醒夢(mèng)中人。馬西立刻著手對(duì)果蠅求偶行為進(jìn)行錄像。在日以繼夜地觀看果蠅的黃色小視頻之后，馬西有了一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)。原來阿黃根本就不是求偶的技巧不行。他們求偶的各種花樣，比如唱歌，跳舞，做得和野生型果蠅不相上下，唯一的區(qū)別是，當(dāng)他們前戲做足，到了關(guān)鍵一刻的時(shí)候，他們……抱不緊雌果蠅。
那么，要抱緊雌果蠅，需要些什么呢？答案是需要一對(duì)有著特殊結(jié)構(gòu)的前腿：黑腹果蠅的前腿上，有著形似梳子的剛毛（Sex combs），這個(gè)特殊結(jié)構(gòu)給果蠅提供很強(qiáng)的抓握能力。在這些剛毛里面，雙性基因也是有表達(dá)的，從而阿黃也會(huì)在這個(gè)組織里面表達(dá)。如果雄果蠅無法抱緊雌果蠅，有可能就是這個(gè)結(jié)構(gòu)出了問題，而不是一直以來認(rèn)為的神經(jīng)系統(tǒng)。
通過查閱文獻(xiàn)，馬西發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不引人注意的小知識(shí)點(diǎn)：黑色素的表達(dá)，不只是改變果蠅外表皮的顏色，還能夠影響外表皮的硬度。阿黃不能夠正常合成黑色素，它們的剛毛可能就比較軟。
接下來的實(shí)驗(yàn)就順理成章了。馬西特異性地在野生型果蠅的剛毛里面降低“黃”的表達(dá)，果然野生型果蠅的表現(xiàn)變得和阿黃一樣。在阿黃的剛毛里面特異性地過表達(dá)野生型“黃”基因，它們的交配成功率就恢復(fù)到和野生型一樣。馬西還通過別的方式在果蠅剛毛里阻止黑色素的生成，也觀察到果蠅交配成功率顯著下降。
馬西的這個(gè)項(xiàng)目，謎底算是解開了。但是，這個(gè)謎底事實(shí)上帶出了更多有趣的問題。第一個(gè)問題，其實(shí)也埋在一百多年前斯特蒂文特的觀察里：阿黃雄果蠅，和野生型的雌果蠅交配成功率雖然不高，但是和阿黃雌果蠅的交配成功率卻極高…… 這也是為什么獲得阿黃突變的純合品系并不難的原因。無獨(dú)有偶，有些種類的果蠅，根本就沒有黑腹果蠅里面的這種剛毛。那么，這些沒有剛毛的果蠅，它們的交配行為有什么不一樣的地方，又是怎樣演化出來的呢？像“黃”這樣的突變，會(huì)不會(huì)是果蠅里面物種形成的關(guān)鍵呢？所有的這些有趣的問題，都有待更多的研究。這樣的問題也許永遠(yuǎn)不會(huì)窮盡。“別忘了山谷里寂寞的角落里，突變的阿黃也有春天。”
從珍妮亞農(nóng)場(chǎng)回來之后，馬西做了一場(chǎng)精彩的畢業(yè)答辯，從那之后，他就獲得了 “密歇根大學(xué)首席鑒黃師” 的稱號(hào)。馬西的文章最終發(fā)表在著名的國(guó)際期刊 elife 上，而馬西自己，則奔赴哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院繼續(xù)他對(duì)果蠅行為的研究，不知道他又會(huì)給我們帶來什么故事。但我相信，一定會(huì)是有趣的故事。
注：香港科技大學(xué)的吳淑婷同學(xué)對(duì)此文的修訂貢獻(xiàn)巨大，特此致謝。
參考文獻(xiàn)
[1] Massey, Jonathan H., et al. "The yellow gene influences Drosophila male mating success through sex comb melanization." bioRxiv (2019): 673756.
[2] Massey, Jonathan. The Function of Pigmentation Genes in the Development and Evolution of Drosophila Mating Behavior. Diss. 2019.
[3] https://elifesciences.org/podcast/episode61
[4] Signor, Sarah A. "Mating Behavior: When structure meets function." eLife 8 (2019): e51746.
[5] Greenspan, Ralph J. "The origins of behavioral genetics." Current Biology 18.5 (2008): R192-R198.
[6] Personal communications with Jon Massey.
