2018年8月21日 星期二

研究果蠅而獲得諾貝爾獎的偉人 08-22-2018



研究果蠅而獲得諾貝爾獎的偉人


1.  全素食昆蟲─果蠅(Drosophilidae 科,Drosophila 屬),英文名 fruit fly

2.  希臘文中 droso 是露水的意思,phila 是喜歡的意思,人們一看便知,果蠅是喜歡潮濕環境的昆蟲。

3.  牠和危害農作物的果實蠅(Trypetidae 科,Bactocera 屬)雖然只有一字之差,其實有著顯著的不同。



果實蠅危害瓜果類果實非常嚴重,是農業技術上的一大隱憂。




01. 東方果實蠅,體型和大小與家蠅相似,但果實蠅比家蠅漂亮,身體為黑褐色,胸部有磷光的黃色斑紋,腹部有黑色T字型條紋

果蠅的大小約只有家蠅五分之一。




一、摩根 & 密勒的貢獻

1.  果蠅從1910年起,約30年期間,因為牠的體積小、生命週期短(培養於25℃時 約11),飼養繁殖容易,具有容易觀察的四對染色體、能繁衍大量子代等優點,成為奠定古典遺傳學的主角。

2.  也為兩位科學家帶來了諾貝爾生理醫學獎的榮耀1933年的摩根(Thomas H. Morgan)及1946年摩根的學生密勒(H.J. Muller)。




02. 25℃的培養溫度時,果蠅的生活週期由卵至成蟲約需11天,在18℃則加倍,在16℃則為3倍。果蠅的囊胚期(blastula)稱為blastoderm

圖片來源:





03. 1933年諾貝爾生理醫學獎得主─摩根。   




04.1946年諾貝爾生理醫學獎得主─密勒。


二、研究果蠅而得諾貝爾生理醫學獎的科學家:

諾貝爾獎得主(Nobel Laureate)
得獎年代
得獎原因
摩根(Thomas H. Morgan)
1933
証實了基因在染色體上
密勒(H.J. Muller)
1946
因為發現X射線可以引起生物變異 (X-ray mutagenesis)
路易士(Edward  B. Lewis)
 May 20, 1918 – July 21, 2004
Eric Wieschaus
Christiane Nusslein-Volhard
1995
發現果蠅DNA上的雙胸複合體( Bithorax complex )及闡明它的功能--Wikipedia
果蠅胚胎發育有關的基因

1.  1908年摩根在實驗室裡,用物理、化學等方法處理純品系的果蠅,期望能找到一隻外表型發生變異的個體。

2.  在努力了近兩年之後,他們終於獲得了一隻白眼的雄果蠅(野生型的果蠅為紅眼的外表型)。

3.  由於這個實驗的對象為純品系的果蠅,所以他們所獲得的外表型的改變,必定是來自於遺傳物質,發生了永久的變異所致。

4.  這隻白眼的雄果蠅,是生物學研究史上第一隻人工誘導,發生突變的生物個體。


05. 左正常果蠅(紅眼);右果蠅的白眼突變種。

圖片來源:





06. 拿雄性突變白眼果蠅與純種雌紅果蠅交配,第一子代(F1)表現型完全是紅眼睛,第二子代表現型(phenotype)紅眼白眼的比例為31,與孟德爾豌豆實驗結果相同。

圖片來源:維基百科

5.  果蠅研究者之父摩根在研究果蠅遺傳之前就已是極負盛名的胚胎學家。

6.  1909年,摩根(Thomas H. Morgan1866-1945)發表文章說:對孟德爾主義的現代理解中,事實被快速轉化成為因子(factors)。

7.  如果一個因子不能解釋事實,馬上就求之於兩個因子,兩個還不夠,有時三個也可以。

8.  解釋結果有時需要的高級雜耍(superior jugglery),如果太天真地進行,可能會把我們盲目地帶到一個常見的地方,結果被很好地解釋了,因為發明瞭解來解釋它們。

9.  我們從事實反過來走到因子,然後,好哇,再用我們專門發明出來解釋事實的因子來解釋事實。

10.摩根雖然對孟德爾口下留情,只是說孟德爾主義的現代理解是「高級雜耍」。事實上,摩根當年不僅不信孟德爾,也不信達爾文的演化論,還不信遺傳的染色體學說

11.可是當1910年他發現了白眼突變雄果蠅的事實後,他做了和孟德爾一樣的交配實驗,取得的數據和比例也與孟德爾的相同。

12.為了解釋這樣的事實,摩根不得不沿著孟德爾的思路,也提出因子,也進行拼湊數字的「高級雜耍」,最後奠定了遺傳學的現代基礎。

13.在事實面前,摩根不得不「出爾反爾」,因為科學真理高於個人偏見,也不會敗於俏皮話的譏笑挖苦。

14.1928年摩根出任加州理工學院生物系系主任,將果蠅實驗室搬到加州理工學院,吸引了許多年輕學子加入,路易士(Edward  B. Lewis )就是其中之一。

15.路易士(Lewis)的貢獻,是闡明果蠅雙胸突變種的基因作用機制


三、路易士(Lewis)的貢獻

1.  路易士研究果蠅突變的基因複合體稱為「雙胸複合體」(bithorax complex,簡寫為BXC),它決定的性狀為:第三胸節正常是長出平衡棒(haltre,在演化上退化的後翅),突變後長出像第二胸節的翅膀。




07. 摩根的學生卡文.布吉里斯(Calvin Bridges)1915年發現果蠅的雙胸突變種。

摩根的另一位優秀學生路易士(Edward  B. Lewis),於後來發現了雙胸突變種的基因控制的機制。







08. 果蠅的Hox基因,可分為兩個基因群集(cluster)


2.  果蠅的Hox基因群集皆位於第三對染色體上,可分為兩個群集。

3.  一群稱作雙胸複合群(Bithorax clusterBX-C)的基因,此群集中的Ubx基因若發生突變,會使第3胸節(T3)轉變成第2胸節(T2)。

   (正常狀態下果蠅的翅膀是長在第2胸節(T2)上。)

4.  這樣的突變結果,會使果蠅形成兩個第2胸節而長出兩對翅膀,並使原本長在第3胸節(T3)上的平衡棒(haltere,雙翅目昆蟲特有的構造)消失。

5.  此突變最早是卡文.布里吉斯(Calvin Bridges)於1915年發現。

6.  接著由路易士(Lewis)的研究,闡明果蠅雙胸突變種的基因作用機制

7.  這種將身體一部分構造變為另一部份構造的轉變稱為「同位小室性轉變」(homeotic transformation),造成這類轉變的基因就稱為同位小室基因(homeotic gene)。

8.  後來又陸續發現一些,例如觸角肢突變(Antennapedia)使觸角(antenna)變為腳,吻足突變(proboscipedia)使口器的部分轉變為腳的構造。

9.  這種突變顯示這些基因的功能與早期胚胎的發育密切相關。



Hox基因是以群集的形式排列。路易士的研究震驚了每一個人,Hox基因的群集由頭至尾鏡面對稱身體的部分,這樣的原則普遍存在於所有的動物。
  200499日 自然期刊 431143



Hox genes occur in clusters, and Lewis surprised everyone by finding that the arrangement of Hox genes in a cluster mirrors the order of the body parts, from head to tail, that those genes specify; this principle is common to all animals. Nature vol.431   9 september 2004 P.143




09. 同位小室基因(Homeotic genes),決定在那一個體節形成那一種附肢。

同位小室基因如發生突變,體節形成的附肢就可能異常。例如雙胸突變、觸角肢突變等。

圖片來源:





10. (a)正常的果蠅及(b)觸角肢突變種果蠅。




四、魏區豪斯 & 紐斯蘭-渥荷德的貢獻

1.  1995諾貝爾生理醫學獎頒給三位研究果蠅發育的科學家:

2.  美國加州理工學院77的艾德路易士(Edward  B. Lewis

3.  美國普林斯頓大學48的艾力克魏區豪斯(Eric Wieschaus

4.  德國杜賓根(Tübingen)麥克斯蒲朗克發育生物學研究所52的克莉斯汀紐斯蘭-渥荷德(Christiane Nusslein-Volhard)。

5.  受到Lewis的啟發,Nusslein-VolhardWieshaus兩人於1978年(時年分別為3531歲)聯手在一年多內,日以繼夜的,在海德堡的歐洲分子生物實驗室,有系統的搜尋控制胚胎早期發育的基因。

6.  他們將突變劑攙入食物,餵食雄果蠅,再以之與雌果蠅交配,結果產生了很多死胚胎。

7.  有些突變非常特別,例如果蠅全身沒有肌肉或皮膚由神經細胞所構成。

8.  他們進行大規模篩選突變的工作,辛苦的用顯微鏡觀察幼蛆,最後整理出胚胎發育約140對必要的基因。

9.  此後幾年,用上新方法,他們以及其他科學家又確認了100對以上,大部份是以前未曾發現,控制胚胎最早期發育的基因

10.總結這些基因對,可以分為四大類,經由它們的先後作用,胚胎之構造逐步分化,漸趨複雜,最後形成許多體節

11.每一體節的分化,則受到「同位小室基因」的調控發育成不同的構造附肢。




11. 果蠅控制胚胎早期發育的基因,這些基因可以分為四大類:1.Maternal-effect genesEgg-polarity genes(母性效應基因=卵極化基因)

2.Gap genes(隙裂基因)

3.Pair-rule genes(配對基因)

4.Segment polarity genes(體節極性基因)

經由它們的先後作用,胚胎之構造逐步分化,漸趨複雜,最後形成正確的體節。




五、薪火相傳

1.      各位網友看了此篇BLOG後請回想一下:因為研究果蠅而得諾貝爾獎的科學家中,摩根是不是偉大的科學家

2.      摩根讓人稱道的,不只是因為他對胚胎學遺傳學的貢獻,還在於他勇於認錯的態度,以及不遺餘力的提攜後進的精神。

3.      1946年諾貝爾得主密勒(H.J. Muller)以及1995年諾貝爾得主艾德路易士(Edward  B. Lewis)都是摩根的學生,1995年諾貝爾得主Nusslein-VolhardWieshaus兩位又是受了路易士的啟發。



台灣的基礎科學要紮根,真的就需要像摩根(Thomas Hunt Morgan)這樣的偉人!
基礎科學是非常需要薪火相傳的。


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我曾任教於陽明大學,是一名教生命科學教了快三十年的老師,許多內容,班班相同,年年流轉,教了快三十年早已深植腦海中。約8年前因病退出教壇後,發現有些生命科學的事已開始逐漸慢慢淡忘了,不由得想起麥克阿瑟將軍(General MacArthur)的名言“Old soldier never die, they just fade away.”目前唯一沒變的是對生命科學的喜好與熱誠,有靈感時塗塗鴉一些心得和網友們分享 這是Blogger的緣起。

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