"Look at the stars. Look how they shine for you. And everything you do. Yeah they were all yellow."

—— Coldplay, Yellow

 

撰文 | 孙梦逸

责编 | 陈晓雪

 

一个传奇的基因

 

一百多年以前，现代遗传学之父，托马斯·亨特·摩尔根著名的 “果蝇房”（Fly room）里面诞生了一批奇形怪状的果蝇突变体。利用这批突变体，年轻的本科生阿尔弗雷德·斯特蒂文特（Alfred Sturtevant）开展了日后成为经典的基因定位（Genetic mapping）实验。在第一批果蝇突变体里面，有一个突变体，全身泛着金黄色的光泽，于是就被起名为“阿黄”。阿黄之所以那么黄，是因为一个叫做“黄”（yellow）的基因突变所导致的。

 

少为人知的是，“黄” 除了影响果蝇的体色，还能够影响果蝇的求偶行为。果蝇的求偶有一整套繁复的仪式：成功交配之前，雌性果蝇会不断地移动，而雄性果蝇需要找到合适的角度，通过扇动翅膀，向雌性果蝇唱出频率特殊的 “情歌”。而早在1915年，斯特蒂文特就发现，可怜的阿黄，追不到姑娘…… 它们经常会一连几个小时绕着雌性果蝇兜圈子唱歌，却不能开始交配。而它们的生殖系统显然是没有问题的：只要开始交配，它们总是能够成功地产下后代。

 

 

那么，是不是因为阿黄那与众不同的外表，果蝇姑娘不喜欢呢？1956年的时候，牛津大学的玛格雷特·巴斯托克（Margaret Bastock）细致地分析了雌果蝇在求偶过程中对于阿黄和野生型雄果蝇的反应，基本排除了这个可能性。在玛格雷特的年代，大家已经知道阿黄是由单基因突变（“黄”突变）引起的，因此，玛格雷特也在发表的文章里面第一次明确提出，应该从单基因的角度，去研究动物行为学。十多年之后，沿着这一思路，西摩·本泽（Seymour Benzer，见“本泽传奇”）和他的弟子们，掀起了行为遗传学的革命。

 

“黄” 能够影响果蝇的体色，是因为这个基因参与果蝇黑色素（melatonin）的合成。一旦“黄”突变了，黑色素不能完全合成，果蝇的体色就会泛黄。然而“黄”为什么能够影响果蝇的行为，却一直是个未解之谜。

 

直到我的朋友，隔壁实验室的乔恩·马西（Jon Massey）开始探索这个基因的秘密。

 

一段曲折的旅程

照片中这位眼神略带忧郁的小哥，就是比我高一级的乔恩。乔恩给我的第一印象，是他十分的友善，也十分的勤奋，而且还富有幽默感……他在系里每次报告他的工作，都能给听众带来许多欢乐。

 

乔恩所在的实验室，是在演化发育（Evo-Devo）领域小有名气的翠莎·维特科普（Patricia Wittkopp）实验室。

 

翠莎博士师承美国科学院院士，肖恩·卡罗尔（Sean B Carroll）。肖恩可说是演化发育（Evo-Devo）领域的先行者，他尤其对基因调控的变化如何导致物种的参差多态感兴趣。而昆虫体色的演化，正是这方面极好的例子。自然而然，翠莎在博士研究生期间的工作，是研究“黄”这个基因在果蝇中的调控演化如何影响不同果蝇体色的变化。她对“黄”这个基因的历史，可说是门儿清。不过在博士之后，翠莎把目光转向了宏观层面基因表达的演化。“黄”则被冷落了很多年——直到乔恩的加入。

 

乔恩的本科和硕士，做的都是有关昆虫行为的工作，因此一直对昆虫行为的演化非常有兴趣。在了解到 “黄” 鲜为人知的历史以后，一下子就被这个问题所吸引，并决定挑战这个百年未解之谜。在做这个决定的时候，他大概没有预料到这会是多么曲折的一个旅程。他首先想寻找的，是“黄”到底在哪些细胞里面起作用。不巧的是，“黄”差不多在所有的细胞里面都有表达。所以第一步要做的是缩小筛选的范围。

 

直觉上，影响行为的基因，最有可能通过影响神经系统起作用，毕竟神经系统是控制行为的中枢。之前对 “黄” 与行为关系的研究虽然稀少，但有限的几个证据，都指向这个基因可能参与神经系统的运作：第一， “黄” 在神经系统里面有表达；第二， “黄” 在神经系统里面的表达，受到一个能够对果蝇交配行为有重大影响的基因，无果基因（fruitless）的调控；第三，“黄”参与的黑色素合成的通路，是和合成神经递质多巴胺紧密连接的。因此，合理的思路，当然是去寻找“黄”对神经系统的影响。

 

乔恩也正是从这个方向开始的。

 

既然无果基因能够影响 “黄” 基因的表达，而无果基因对果蝇交配行为又如此重要，那么，是否“黄”就是在表达无果基因的细胞里起作用呢？基于这个猜测，乔恩设计了两组实验。

 

第一组实验，是在野生型雄果蝇表达无果基因的细胞中降低“黄”的含量。假设“黄”是通过影响这些细胞影响果蝇行为，那么当这些细胞中“黄”的含量被人为地降低，野生型雄果蝇的求偶成功率应该也会降低。第二组实验，是在阿黄表达无果基因的细胞中提高未突变的“黄”含量，基于同样的假设，过表达的“黄”应该能够提高阿黄的求偶成功率。

 

让人沮丧的是，乔恩没有观测到任何不同的表型……野生型雄果蝇依然那么成功，而阿黄还是追不到姑娘。

 

不过话又说回来，通常做一个研究项目，第一个实验方向，都是失败的方向。这种小小的挫折，应该也算不上什么。乔恩和他的小伙伴们，很快把目光转向了另一个能够控制“黄”表达的基因。这个基因叫做双性（doublesex）。顾名思义，这个基因也是果蝇影响果蝇性行为的一个重要基因。乔恩和他的小伙伴们故技重施，又做了两组实验：在野生型果蝇表达双性基因的细胞里面降低“黄”的表达，以及在阿黄表达双性基因的细胞里面过表达“黄”。这一次，他们成功观察到了预期的结果：野生型果蝇变得情场失意，而阿黄这次追到了姑娘。整个研究似乎一下子柳暗花明。

 

值得一提的是，这个关键结果，是由一位出色的本科生，Daayun Chung 做出来的，现在在美国西北大学神经科学系读博。这不由让人想起斯特蒂文特在做出关键实验的时候，也只是一个本科生，实在是冥冥中自有天意。

 

让我们回归正题。

 

针对双性基因的一系列实验表明，“黄”很有可能是在表达双性基因的果蝇细胞里面起作用而影响到果蝇的交配的。乔恩于是决定从表达双性基因的神经组织下手。他开始尝试分别在多巴胺神经元、五羟色胺神经元、谷氨酸神经元、胶质细胞等细胞里面降低“黄”的表达。然而，不管在哪个细胞类群里降低“黄”，野生型果蝇表现都很坚挺。绝望之下，他甚至尝试把所有神经细胞里面的“黄”都降低，结果依然是不显著。

 

那么，难道这个项目，就要终结在这里吗？

 

天无绝人之路。这个时候，一个新的机会来了。

 

一个有趣的结果

 

位于弗吉尼亚州劳登县的珍妮亚农场研究所，是当今神经科学研究的圣地。2017年的时候，乔恩获得了一个奖学金，可以去珍妮亚农场做一段时间的访学研究。他访学的实验室，是研究果蝇行为的专家，大卫·斯特恩（David. L. Stern，不是NBA那个）。

 

他加入斯特恩的实验室之后，就迫不及待地和大卫聊起了他的研究项目。大卫听完了以后，微微一笑，给他提了一个建议。

 

这里要先介绍一点背景。珍妮亚农场独步天下的绝技，是他们各种尺度的生物成像技术。从生物大分子尺度的摄像，到宏观动态的生物行为录像，技术水平都是当世最好的几个地方之一。2014年以超分辨率荧光显微镜获得诺贝尔奖的埃里克·贝齐格（Eric Betzig），就是珍妮亚农场的研究人员之一。

 

 

结合这个背景，大卫的建议是：“也许你们对果蝇求偶行为的观察还不够细。这里有最先进的高速摄像仪，通过这个摄像仪，你们可以获得大尺度，高清无码的果蝇求偶录像。也许通过观看这些录像，你们能够找到线索。”

 

一言惊醒梦中人。乔恩立刻着手对果蝇求偶行为进行录像。在日以继夜地观看果蝇的黄色小视频之后，乔恩有了一个意外的发现。

 

原来阿黄根本就不是求偶的技巧不行。它们求偶的各种花样，比如唱歌，跳舞，做得和野生型果蝇不相上下，唯一的区别是，当它们前戏做足，到了关键一刻的时候，它们……抱不紧雌果蝇。

 

那么，要抱紧雌果蝇，需要些什么呢？答案是需要一对有着特殊结构的前腿：黑腹果蝇的前腿上，有着形似梳子的刚毛（Sex combs），这个特殊结构给果蝇提供很强的抓握能力。在这些刚毛里面，双性基因也是有表达的，从而阿黄也会在这个组织里面表达。如果雄果蝇无法抱紧雌果蝇，有可能就是这个结构出了问题，而不是一直以来认为的神经系统。

 

通过查阅文献，乔恩发现了一个不引人注意的小知识点：黑色素的表达，不只是改变果蝇外表皮的颜色，还能够影响外表皮的硬度。阿黄不能够正常合成黑色素，它们的刚毛可能就比较软。

 

接下来的实验就顺理成章了。乔恩特异性地在野生型果蝇的刚毛里面降低“黄”的表达，果然野生型果蝇的表现变得和阿黄一样。在阿黄的刚毛里面特异性地过表达野生型“黄”基因，它们的交配成功率就恢复到和野生型一样。乔恩还通过别的方式在果蝇刚毛里阻止黑色素的生成，也观察到果蝇交配成功率显著下降。

 

至此，终于真相大白。

 

还有一个彩蛋

 

乔恩的这个项目，谜底算是解开了。但是，这个谜底事实上带出了更多有趣的问题。第一个问题，其实也埋在一百多年前斯特蒂文特的观察里：阿黄雄果蝇和野生型的雌果蝇交配成功率虽然不高，但是和阿黄雌果蝇的交配成功率却极高…… 这也是为什么获得阿黄突变的纯合品系并不难的原因。无独有偶，有些种类的果蝇，根本就没有黑腹果蝇里面的这种刚毛。那么，这些没有刚毛的果蝇，它们的交配行为有什么不一样的地方，又是怎样演化出来的呢？像“黄”这样的突变，会不会是果蝇里面物种形成的关键呢？所有的这些有趣的问题，都有待更多的研究。这样的问题也许永远不会穷尽。“别忘了山谷里寂寞的角落里，突变的阿黄也有春天。”

 

尾 声

 

从珍妮亚农场回来之后，乔恩做了一场精彩的毕业答辩，从那之后，他就获得了 “密歇根大学首席鉴黄师” 的称号。乔恩的文章最终发表在著名的国际期刊 elife 上，而乔恩自己，则奔赴哈佛大学医学院继续他对果蝇行为的研究，不知道他又会给我们带来什么故事。但我相信，一定会是有趣的故事。

 

作者简介

 

孙梦逸，密歇根大学演化生态系5年级博士生，主攻演化系统生物学。闲时喜欢阅读，愿为科普做些微小的贡献。

 

注：香港科技大学的吴淑婷同学对此文的修订贡献巨大，特此致谢。

 

参考文献

 

[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.