【诺奖中的“基因”】彩色玉米基因：旋转，跳跃，我不停歇？

【诺奖中的“基因”】

如果你经常逛农贸市场，那么你会发现很多玉米是彩色的，这些玉米不仅外观好看，营养方面也比普通玉米更胜一筹。在感叹大自然的神奇又或是育种技术强大的同时，大家是否知道绚丽的彩色玉米与一项诺贝尔奖有着紧密联系？

各种各样的彩色玉米

1983年的诺贝尔生理学或医学奖颁发给了一位叫芭芭拉▪麦克林托克（Barbara McClintock）的女科学家，以表彰她在发现“跳跃基因”（现在叫转座子）现象上所做出的杰出贡献。麦克林托克是历史上第一位独立获得诺贝尔生理学或医学奖的女科学家，也被尊称为“玉米夫人”，她发现的转座子，颠覆了我们对于基因的传统认知，极大地促进了生物和医学领域的发展。转座子的发现与DNA双螺旋结构的发现一并被公认为20世纪遗传学史上两项最重要的发现。

诺贝尔奖获得者芭芭拉▪麦克林托克女士

早期教育和研究

1902年，麦克林托克出生在美国康涅狄格州的哈特福德，父亲是一名医生，母亲则来自波士顿中上层家庭，是个诗人，也是个画家，家庭中的文化氛围为麦克林托克的成长打下了良好基础。兄弟姐妹四人中麦克林托克总是喜欢独自一人，经常在一个空房间里读书数小时，且成年后的她也总是习惯独处，安静的性格，似乎冥冥中指引着她走向科学研究的道路。她对遗传学的热爱始于1921年，当时她在康奈尔大学攻读遗传学，由植物育种家和遗传学家哈奇森（C.B. Hutchison）指导。当时的哈奇森对麦克林托克印象深刻，就邀请她参加了研究生遗传学计划，在1923年，麦克林托克获得了学士学位，又在1925年获得了硕士学位，在1927年获得了博士学位。在当时，这对于一名24岁的女性来说是相当了不起的。

在康奈尔大学获得博士学位后，麦克林托克留校任教，并在植物育种系组建了一个植物育种和细胞学小组，从事玉米染色体的研究。在这段时间里，麦克林托克开发了染色技术，可以帮助可视化玉米染色体，这些技术对于她发现基因“跳跃”事件大有裨益。到1929年，她已经充分完善了这些技术，可以对玉米的10条染色体进行区分，使遗传数据与染色体行为联系起来。1941年6月，麦克林托克进入美国纽约的冷泉港实验室任职，继续从事她所热爱的玉米遗传研究，就是在这里，正式开始了伟大的“跳跃基因”发现之旅。

玉米基因“跳跃”的发现

从1932年开始，麦克林托克就在印度彩色玉米中观察到了玉米籽粒与叶片的色斑无法稳定遗传的现象，而且色斑的大小和出现的时间也是各有不同。为了找到这个问题的答案，麦克林托克培育出带有某条特定染色体的玉米植物，该染色体的存在会导致隐性棕色表型（bz基因），而该玉米原本具有的染色体编码白色显性表型（无色，C基因）。根据正常的遗传理论，后代应该显示出全白色的籽粒，但是部分籽粒显现出了白色带棕色斑点的性状。

带斑点的玉米籽粒

麦克林托克将意外的变化归因于染色体断裂，使染色体丢失一个基因，她称这种现象为解离，发生在她称为Ds的染色体基因座上，此外，她认为这种断裂是由于“跳跃”活化剂（Ac）引起的，Ac促使Ds“跳跃”，Ds的移动可能导致被插入基因C产生突变而不能正常行使功能，则隐性基因得到优势，将显示为棕色，而Ac控制Ds从突变的C基因处“跳走”又可以恢复C基因的功能，显示白色，所以，玉米籽粒白色背景上棕色斑点的数量取决于籽粒发育期间基因“跳跃”的时间。

麦克林托克的Ds-Ac“跳跃”调控理论

获奖的曲折历史

1951年，麦克林托克在冷泉港研讨会上介绍了她的基因“跳跃”理论，她认为遗传物质结构和顺序不是静态的，而是经过重新排列的，并且在发育过程中可能会发生变化。会议的听众认为她的研究结果晦涩难懂。麦克林托克的研究与当时的遗传现象理论不符，因为遗传物质在20世纪60年代之前被认为是静态实体。所以，麦克林托克的实验结果一直未受到重视，但是她始终坚持着自己的理论。

就这样，漫长的30年过去了，鲜有人知道她在冷泉港的实验室里每天都背负着什么样的心情。但是，随着其他科学家在细菌和真菌以及高等动植物中相继发现了类似于基因“跳跃”的现象，被雪藏的麦克林托克的“基因跳跃”理论才开始得到科学界的认可与重视，世人无不惊叹于她行走在科研前端的思想和坚定不移的信念。终于，在1983年，瑞典皇家科学院诺贝尔奖学金评定委员会把该年度的诺贝尔生理学或医学奖授予这位已经81岁的坚韧的科学家，让她在有生之年看到了科学界对她成果的最高认可。9年后，也就是1992年9月2日，麦克林托克在冷泉港去世，终年90岁。

麦克林托克的成果证明了DNA远比科学家最初想象的要复杂，颠覆了人们对遗传物质的认知。现在我们知道可移动的转座子序列约占玉米基因组的85％，占我们人类基因组的65％以上，转座子在发育中的精子和卵细胞中绕基因组跳跃，对进化十分重要。但是，他们的“跳跃”也可能引起新的突变，目前生物体约10%的突变是由转座子插入其他基因所引起，可能会导致诸如血友病和癌症等疾病的发生，而目前关于转座子运动是何时何地在发育中的生殖细胞中发生的知之甚少。除了与疾病相关，转座子还可以被用来构建突变体库，比如彩色玉米的培育和不同形状番茄的培育等，具有极其广阔的研究前景。

麦克林托克把一生都奉献给了她所热爱的科学事业，她是伟大的，也是孤独的，但是，科学正是在这种大胆的猜想与求证中一步步走向未来。

出品：科普中国

作者：徐乐天（湖北大学生命科学学院副教授）

监制：中国农学会 光明网科普事业部