杰弗里·霍爾和他的小果蠅

康琳

1945年，杰弗里·霍爾出生于美國紐約。2017年10月2日，他因解開了晝夜節律機制的奧秘而獲得了諾貝爾獎，當時他是美國緬因大學的退休教授。在談到這次獲獎時，他說：“是的，沒錯。在我還沒退休的時候，我的工作內容大半的確與生物節律有關。如果說我們真的取得了一些研究成果的話，這應該是最著名的成果之一了。我和羅斯巴什在20世紀80年代中期就開始了不懈的合作，還有那些我稱為實際調查員的人們，比如學生、博士后研究員，每一天都在緊密合作。這讓我感到很愉快，因為兩個實驗室都不是孤立的，我們都得到了對方的很多支持。”

在霍爾看來，這次的諾貝爾獎還有第四位重要的獲獎者——“小果蠅”，并認為它作為生物模型的力量再次得到了證實。霍爾說：“當我還是研究生時學過一個短語，叫作‘果蠅法則。當我們追溯到20世紀90年代、40年代、20年代，或者說向后展望時，我們會發現這只是一個十億分之一的例子：對一個看似與我們無關的生命體所做的基礎研究，可能會產生更為深遠的意義，甚至超過生命體本身。對果蠅的研究就是這樣，幾十年甚至超過一個世紀以來都做出了重要的貢獻。”

不錯，杰弗里·霍爾及其同事研究的就是果蠅神經系統的功能。他們的許多研究方法涉及行為的遺傳學研究，并通過對某些由行為突變決定的基因進行分子操作來增強這些行為。他們的研究分為兩個方面。

求偶行為的分子神經遺傳學研究

果蠅的中樞神經系統是如何控制果蠅的生殖行為的？杰弗里·霍爾及其同事的早期研究涉及識別成年果蠅中樞神經系統的相關部分，方法包括使用“性別馬賽克”、破壞這些組織以及使用在中樞神經遞質的代謝中有缺陷的突變體乙酰膽堿。

他們的主要精力放在對求偶行為突變體的研究上。這一突變體是由Fru基因座的遺傳變化決定的，會導致雄性不與雌性交配，并且與其他雄性進行交配。Fru基因與行為異常綜合征一樣復雜。杰弗里·霍爾及其同事希望通過在分子層面上識別Fru基因來解開其中的一些復雜性。他們的研究成果和其他關于不育基因及其突變體的神經生物學發現，已經證明了這個因素在果蠅的“性別決定等級”（SDH）中起作用，并且定義了一個新的研究分支。在這種情況下，Fru基因像某些SDH基因一樣編碼了轉錄因子。他們還發現，在某些表達出雄性特有的Fru蛋白質的神經元中，

5-羥色胺的產生是由該基因的作用調節的。此外，5-羥色胺神經調節劑似乎可以調節雄性生殖器官的功能，這一功能在某些Fru基因突變體中受到了顯著的干擾。

另外兩種求偶行為突變體由于異常的雄性“歌唱”行為而被分離出來，即發出刺耳聲音（cac）和不和諧聲音（diss）的雄性會在向雌性振動翅膀時產生異常的聲音。為了理解這些特殊的求愛歌曲是如何被編程的，杰弗里·霍爾及其同事對變異和正常聲音進行了高分辨率的分析。對cac和diss基因座的研究具有與Fru基因研究類似的復雜性。例如，互補分析和分子表達評估表明，這兩種歌曲的基因都參與了成年果蠅的視覺調節反應（行為上和生理上的），cac的基因編碼了由電壓調節的鈣通道（1個亞基）， 這至少使cac突變體中的求偶歌曲缺陷得到了合理的解釋；diss突變最初是由視覺突變體決定的，并編碼了一種結合了核糖核酸的蛋白質（NONA）。杰弗里·霍爾及其同事假設NONA對初級cac轉錄物的轉錄后處理有影響，從而發現信使核糖核酸（mRNA）的確有幾種不同的亞型，這是由不同的剪接和核糖核酸剪輯造成的。

雄性果蠅在求偶歌曲中產生的音調脈沖頻率在有節奏地變化，循環持續時間很短，從30秒至90秒不等，這取決于物種。比如黑腹果蠅，其周期基因座的晝夜節律突變引起了歌曲節奏異常，這與日常節律表型的缺陷類似。這些歌曲的發現為科學界對生物節律進行更廣泛的研究打開了大門。

生物節律的分子神經遺傳學研究

在布蘭迪斯大學，杰弗里·霍爾與邁克爾·羅斯巴什合作，通過分析周期基因開始了對晝夜節律的分子研究。在接受電話采訪時，霍爾說，這在很大程度上是由于他們從一開始就私交甚密。他們的研究興趣大多在遺傳學領域，這是顯而易見的。認識不到10年，他們就開始一起做研究了，覺得他們的背景和技能也許能夠互補。霍爾說：“能擁有這樣的關系，關鍵原因在于我們私下就很親密。我們都對體育、搖滾音樂這些通俗文化感興趣，所以我們花很多時間一起狂歡，或

者在當地的體育場里一塊兒坐著發愁。即使是在晝夜節律之前的研究當中，我們也有很多相似的興趣——他是分子遺傳學家，而我是如假包換的果蠅遺傳學家。”20世紀90年代，他們的研究擴展到了分子和神經生物學實驗，并發現了果蠅中五個額外的與節律相關的基因，分別是永恒tim）、生物鐘（Clk）、循環（cyc）、隱花色素（cry）、色素分散因子（pdf）。這些分子—神經—時間生物學研究涉及以下方面：

☆基因信息內容的確定和操作（用于生物測定）；

☆生物鐘基因的體外操作或部分的體外操作——部分是為了評估這些基因在生命周期的不同階段以及各種神經和非神經組織中的表達模式；這些研究包括了對果蠅行為生理節律的神經起搏器細胞的實驗識別；

☆對節律起搏器的環境投入研究，部分由cry功能介導（主要涉及藍光接收，但似乎也與起搏器實際操作相關），也可能由Clk和cyc基因介導（這些是主要的生物鐘因素，但突變體在日常節律中也表現出異常的光反應）；

☆pdf基因操作，在果蠅中并不會編碼出字面意思上的色素分散因子，而是一種僅在中樞神經系統中發現的寡肽；這些實驗第一次近似地顯示了pdf基因是如何參與生物鐘的輸出功能的，這些功能是果蠅睡眠—蘇醒周期的基礎；

☆對相近和相遠的果蠅物種中的生物鐘基因的結構與功能進行了比較；這些數據表明在不同物種之間，某些編碼區域是高度保守的，另一些則存在很大的差異。這些發現促成了不同物種間的轉移實驗，在這些實驗中，全部或部分供體物種的周期基因作用已經在黑腹果蠅宿主中進行了生物測定。

為了確定有助于晝夜起搏機制的、與生物鐘相關的其他基因，杰弗里·霍爾及其同事一直在尋找新的節律變體。檢測這些因素的方法之一是測試攜帶轉基因的果蠅，他們將部分生物鐘基因與記錄因子——螢火蟲熒光素酶（luc）——融合到一起。這使得周期和永恒基因控制的分子節律能夠被實時追蹤，科學家可以在幾天內單獨監控進行“發光循環”的果蠅。對有分子缺陷的節律變體進行基于luc的篩選，初步結果包括發現了tim基因座的兩種新突變以及一種新的時間生物

學因子cry。

延伸閱讀

生物鐘是生物體內的一種無形的“時鐘”，實際上是生物體生命活動的內在節律性，由生物體內的時間結構序決定。生物鐘有四點功能，即提示時間、提示事件、維持狀態和禁止功能。與之相對應，在人的大腦里有四個中樞：時間中樞、空間中樞、功能中樞和終止中樞。這聽起來有點像開汽車：人什么時候上車，開車到哪里，踩多久的油門，到達后的一腳剎車。

生物鐘的遺傳實質是生物鐘上記塊的釋放，進化的實質是染色體的變異，退化的實質是染色體功能的關閉。由此看來，生物鐘具有兩面性：器質性和功能性。器質性決定器官的性質，主要是決定器官的大小、形狀和細胞數量，功能性決定器官功能的發揮程度、功能的有無、分泌功能物（如各種酶和素）的多少。

通過研究生物鐘，如今已產生了時辰生物學、時辰藥理學和時辰治療學等新學科。可見，研究生物鐘，在醫學上有著重要的意義，并對生物學的基礎理論研究起著促進作用。