转座子之母：芭芭拉•麦克林托克

提到进化论，我们首先想到的便是达尔文；说起遗传学，孟德尔和他的豌豆实验就会浮现在眼前；谈论起现代分子生物学，沃森和克里克的大名许多人都能脱口而出。而当我问你转座子的发现者是谁时，相信大多数人的大脑中应该都是一片空白。

其实，转座子和DNA双螺旋结构一样，被公认为是二十世纪遗传学史上两项最重要的发现，它们的发现者也都获得了诺贝尔生理学或医学奖。不过，和本文开头提到的各位鼎鼎大名的开创者相比，转座子的发现者芭芭拉·麦克林托克 （Barbara McClintock,1902—1992）的名字就相对要“鲜为人知”了。芭芭拉·麦克林托克的一生是精彩的，也是坎坷的。她经历了人生的大起大落，尝遍了人间的冷暖。

实验室中的芭芭拉·麦克林托克

芭芭拉1902年出生于美国，1923年在康奈尔大学获得理学学士学位，并于1927年获得植物学博士学位。从博士阶段开始，芭芭拉就一直从事玉米的细胞遗传学，并为该领域奉献了自己一生的年华。当时，细胞遗传学才刚兴起，芭芭拉和同事一起，开创了细胞遗传学这一新兴学科，并作出了一系列重要发现。

芭芭拉首次从形态学上描述了玉米完整的染色体，并成功将部分性状定位到染色体上，确定了它们之间的连锁关系。同时，她还详细描述了三倍体玉米的染色体形状，该研究成果被评为康乃尔大学1929－1935年科研重大突破之一。1930年，芭芭拉首次在实验中观察到减数分裂时出现的同源染色体交叉互换，并于次年证明了染色体互换和连锁基因的重组关系，直接证明了摩尔根提出的“染色体交换导致基因重组”的假说，并在此基础上发表了首张玉米连锁遗传图谱。

由于其在遗传学领域一系列重要的贡献，芭芭拉得到了学术共同体的一致认可，各种荣誉以及社会的赞誉扑面而来。1944年芭芭拉当选为美国科学院院士，是美国历史上第三位获得该荣誉的女性。1945年，她又成为“美国遗传学会”（Genetics Society of America）的首位女性主席。在许多科学家和普通民众的心目中，一颗学术新星正在冉冉升起。可以说，当时的芭芭拉迎来了人生中的第一个巅峰。不过，这一切的赞美和荣誉，都随着她对于转座子的研究戛然而止。

芭芭拉着手转座子的研究，起源于她对玉米籽粒颜色变化的困惑：同一根玉米上的籽粒颜色变化多种多样，并且籽粒的颜色并不能稳定地传给下一代。这到底是为什么呢？为了回答这一问题，芭芭拉开展了一系列杂交以及细胞遗传学实验。经过大量的统计和观察，芭芭拉发现玉米籽粒颜色的变化与9号染色体上的一些基因有关。其中的一个基因影响色素的合成，当基因存在时，籽粒有颜色，当基因不存在时，籽粒就无颜色。但是，实际的情况又并非这么简单。在这个色素合成相关基因的附近还有一个解离因子（Ds, Dissociation），它能够影响色素合成基因的表达。当Ds存在时，色素合成基因不能表达，玉米籽粒为白色；当Ds从色素合成基因附近解离，基因又可以正常表达，籽粒就有了颜色。更加有意思的是，Ds是否能够解离，还受到另外一个激活因子（Ac, Activator）的调控，Ac可以促进Ds的解离，而没有Ac时，Ds是无法解离的。这就是著名的“Ac-Ds调控系统”，为了揭示这一系统的调控机制，芭芭拉花费了长达六年（1944—1950）的时间。

在“Ac-Ds调控系统”中，Ds基因和色素合成基因位于同一条染色体的相邻位置。不过，Ac却可以和Ds相距很远，甚至可以不在同一条染色体上。在受到Ac的激活作用解离之后，Ds可以重新整合到染色体上，不过位置是不确定的。它可以整合到其他染色体上，也可以重新整合到原来位置的附近。也就是说，这个Ds是可以在染色体上任意“跳跃”的。芭芭拉认为，由于Ds解离的时间有早晚、长短的不同，于是就导致了玉米籽粒上色斑的大小不一。1950年和1951年，芭芭拉将自己的研究成果分别以《玉米易突变位点的由来与行为》和《染色体结构和基因表达》为题进行了公开发表。

AC/Ds调控玉米籽粒颜色

芭芭拉关于“跳跃基因”的研究发表后，学术界一片哗然，当时的人们认为这项研究是不可理喻的。因为当时学术界普遍认为，基因在染色体上是固定不变的，它们有一定的位置、距离和顺序，它们只可以通过交换重组改变自己的相对位置，通过突变改变自己的相对性质。而芭芭拉关于“基因的表达可以受到调控而改变”以及“基因可以在染色体上跳跃”的发现，极大地挑战了当时人们的认知。一时间，各种批评声、质疑声汹涌而来，芭芭拉逐渐成为行走在主流学术界边缘的人。世人的否定甚至敌意逐渐让芭芭拉心灰意冷，在多次试图向学术界介绍自己的研究成果而失败后，她选择了对自己的发现避而不谈。1953年起，芭芭拉不再在学术刊物上发表任何实验结果。不过，人们的忽视并没有动摇芭芭拉的决心，她仍然坚持默默地日复一日年复一年地从事自己的玉米遗传学研究。往昔的荣耀不再有，芭芭拉逐渐成为了“孤家寡人”，学术界也慢慢淡忘了这位曾经红极一时的学术新星。

20世纪60年代初，法国科学家雅各布和莫诺发现了大肠杆菌的“乳糖操纵子模型”，揭示了生物体内基因调控的机制，也从一个侧面印证了转座子调控基因表达的作用。“乳糖操纵子模型”很快受到了学术界的认可，雅各布和莫诺也于1965年获得诺贝尔奖。不过，芭芭拉的“跳跃基因”却一直没有受到人们的重视，学术界仍然视“跳跃基因”为异端邪说。又过了十多年，当多位科学家分别在细菌、酵母和病毒中都发现了转座子的存在时，芭芭拉二十多年前的重要发现才又重新回到主流学术界的视野中。

当人们重新审视芭芭拉在玉米中进行的转座子研究时，不禁惊讶于她超前的科学发现，感叹于她超常的坚韧力和忍耐力。1983年，芭芭拉以81岁的高龄凭借着对转座子的开创性研究获得了诺贝尔奖，她也是遗传学领域内第一位独立获得诺奖的女性科学家。

芭芭拉·麦克林托克获得诺贝尔奖

值得一提的是，芭芭拉终身未婚，她把一生都奉献给了自己钟爱的科学事业。从这一点说，芭芭拉是伟大的。同时，她的一生也是传奇的。在“四面楚歌”孤立无援的情况下，还能不忘初心，默默无闻、与世无争地做自己的科学研究，这份坚韧不拔的毅力值得我们每个人学习。在芭芭拉的晚年，她曾说过这么一句话，是她一生最完美的注解：“If you know you are on the right track, if you have this inner knowledge, then nobody can turn you off ... no matter what they say”。这句话，也值得我们每一个人深思。

参考资料：

【1】焦雨铃，汪颖《会跳的基因》

【2】余艾柯《芭芭拉·麦克林托克：为“跳跃基因”孤军奋战》

【3】芭芭拉·麦克林托克-百度百科

【4】巴巴拉·麦克林托克- 维基百科

【5】Barbara McClintock and the Discovery of Jumping Genes (Transposons)

【6】Transposons: The Jumping Genes

本文转自BioArt植物公众号。

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