相伴一生的浪漫：发育生物学奠基人刘易斯与果蝇的不解之缘
返朴官方账号撰文 | 郭晓强（北京大学深圳医院副教授）
今天是美国遗传学家刘易斯诞辰101周年。15岁时，刘易斯第一次接触果蝇实验。渐渐地，这位富有艺术天赋的少年喜欢上了果蝇这种小精灵，将其视为自己钟爱一生的科研伴侣。后来的故事你会在文中读到：刘易斯发明了互补测试，并进一步阐明果蝇体节发育与调控基因之间的共线性关系，为发育生物学研究奠定了坚实基础，因此荣膺1995年诺贝尔生理学或医学奖。
生命从一个受精卵最终形成完整个体的过程称为发育。这个过程既至关重要，又高度复杂，因此它的精细调控，无疑成为众多生命科学家试图破解的难题之一。1970年代末，多位果蝇遗传学家鉴定了发育调控的一系列关键基因，从而为发育生物学研究打开一扇崭新的大门，美国科学家刘易斯（Edward Butts Lewis）为此做出了奠基性贡献[1]。
●钟情果蝇●1918年5月20日，刘易斯出生于美国宾夕法尼亚州威尔克斯-巴里一个中产阶级家庭，父亲是一位钟表制造商和珠宝商。然而，1929年席卷全球的经济危机，给刘易斯一家带来巨大冲击，幸运的是在叔叔照顾下，最终渡过了难关。
刘易斯具有良好的艺术天赋。10岁时，刘易斯从叔叔那里收到一根木笛作为礼物，几年后又从父亲那儿得到一根银色长笛，还凭借自身努力，成为当地交响乐团的一员。由于在音乐方面的成绩，他获得了一份奖学金，有机会进入艺术气息浓厚的宾夕法尼亚州巴克内尔学院。
除艺术天分外，刘易斯还对科学尤其是生物学充满了热爱之情。在迈尔斯高中时，刘易斯就与挚友诺维茨基（Edward Novitski，后来也成为一名伟大的果蝇遗传学家）一起加入学校生物学俱乐部。1933年，两人从美国《科学》杂志上看到一则广告，提及1美元可购买100只实验室果蝇。当时，果蝇由于摩尔根（T. H. Morgan）及其同事的广泛研究而成为一种明星级的遗传学模式生物，此外果蝇由于饲养简易、繁殖快等众多优点而受到研究人员青睐。两人花费了俱乐部仅有的4美元，购置了果蝇和相关饲养设备，在学校实验室开启了果蝇研究的生涯。闲暇时间，两位爱德华（Edward）到他们的“果蝇实验室”去观察突变体，希望找到期待中的变异果蝇。慢慢地，刘易斯喜欢上了果蝇这种“小精灵”，把它作为自己钟爱一生的科研伴侣[2]。
刘易斯（1918-2004）
由于对果蝇的痴迷和挚爱，刘易斯在巴克内尔学院仅一年时间就转到明尼苏达大学。他之所以选择明尼苏达大学，一方面是学费不贵，个人可以承受，另一方面在于能继续从事果蝇研究。在这里，刘易斯遇到人生第一位科学导师——遗传学教授奥利弗（C. P. Oliver）。奥利弗是摩尔根学生穆勒（H. J. Muller, 1946年诺贝尔生理学或医学奖获得者）的博士生，从这个角度讲，刘易斯称得上摩尔根遗传学派的第四代传人。奥利弗非常欣赏刘易斯，在自己办公室为刘易斯准备了一个工作台，并鼓励他继续做自己高中阶段的果蝇研究。1939年，刘易斯从明尼苏达大学毕业，获得生物统计学学位。
1939年在奥利弗推荐下，刘易斯成功获得了加州理工学院奖学金，并成为著名遗传学家斯特蒂文特（A. H. Sturtevant）的学生。斯特蒂文特是摩尔根学生，这样刘易斯也得以升为摩尔根学派第三代，不过更重要的是，刘易斯真正开始了自己的果蝇科研生涯，从早期的单纯爱好转变为终身事业。
●果蝇遗传●在加州理工学院，刘易斯的研究重点在于探索染色体上基因位置对表型的影响。他发现，存在两种果蝇眼睛形态异常的突变体，但无法确定这两种突变体究竟是由相同的基因控制，还是受两个基因影响。经过缜密思考，刘易斯开创了著名的顺反测验（cis-trans test），又称互补实验。“顺反”一词借鉴了有机化学概念，如2-丁烯有两种同分异构体，两个甲基在双键同侧称顺式，在对侧则称反式。在此以红眼果蝇遗传为例来理解顺反测验原理。野生型果蝇眼睛是红色，这是因为红色的形成由两个基因A和B控制，如果A或者B突变形成a或b，则丧失红色合成能力，因此纯合aa或bb为白眼果蝇。让双基因纯显性AABB与双基因纯隐性aabb杂交，其F1代为AaBb，由于A和B在同一条染色体上，即为顺式结构，果蝇表型为红眼（野生型）。让单基因纯显性和单基因纯隐性果蝇AAbb和aaBB杂交，产生的F1代基因型为AabB，由于A和B在两条染色体上，因此二者为反式关系。此时可能有两种表型，若为红眼，则意味着表型互补，表明A和B为两个不同基因；若仍为白眼，则说明互补失败，因此a和b应为同一基因内部不同位置的突变。顺反测验为鉴别表型相同的两个甚至多个突变体，究竟由相同还是不同基因控制，提供了有效的研究手段，即使今天仍是经典遗传学的基本方法之一。尤其重要的是，顺反测验为刘易斯将来进行果蝇发育研究奠定了坚实基础[3]。
果蝇互补实验
刘易斯又鉴定出多种果蝇突变体的相关基因，并利用顺反测验确定了它们之间的关联，因此于1942年获得理学博士。这也意味着果蝇遗传学领域的一颗新星正在冉冉升起。
1941年底爆发的珍珠港事件，促使美国投入第二次世界大战，也打断了刘易斯进一步深造的计划。为服务军队，刘易斯学习了一年的气象学知识，并随后加入美国空军，负责驻扎在太平洋军舰上的气象预报工作。
1946年，从战场归来的刘易斯重回加州理工学院，再次开启自己钟爱的果蝇事业。当时恰逢著名遗传学家比德尔（G. W. Beadle, 1958年诺贝尔生理学或医学奖获得者）从斯坦福大学转到加州理工学院并担任生物系主任，他对果蝇同样情有独钟。当时加州理工学院尚缺一名果蝇仓库保管员，于是招募自己的学生帕梅拉（Pamela Harrah）负责此事，并将她介绍给刘易斯相识。双方一见钟情，不久走入婚姻殿堂。婚后的帕梅拉既是刘易斯生活上的伴侣，彼此相敬如宾；又是刘易斯在科研上的助手，两人夫唱妇随。刘易斯负责诱导果蝇突变和进行杂交实验，帕梅拉负责鉴定和筛选果蝇突变体[4]。
●果蝇发育●果蝇属于节肢动物门昆虫纲，其身体基本结构从前到后分为头部（head）、胸部（thorax）和腹部（abdomen）。各部又可进一步分节，如胸部3节（T1—T3）、腹部8节（A1—A8），其中第二胸节（T2）生长一对翅膀。1915年，摩尔根的学生布里吉斯（C. B. Bridges）发现一种发育异常的果蝇突变体，竟然长出两对翅膀。解剖发现，这是源于第三胸节（T3）转换为第二胸节（T2），从而获得了翅膀生长的能力。这种突变被命名为同源异形（homeosis），这种果蝇则被称为双胸突变体。后又鉴定出另外两种异形突变体，分别称超级双胸果蝇和双胸样果蝇。由于通过遗传作图发现了控制这些性状的三个基因，紧密排列在同一条染色体上，因而将其统称为双胸基因复合物（bithorax gene complex, BX-C）[5]。布里吉斯一直试图揭开其中的谜题，遗憾的是因早逝而未能完成，但他慷慨捐出异形果蝇和自己的研究数据，以期后人来实现他未尽的心愿。
刘易斯很早就熟悉异形果蝇，但苦于没有思路而一直未接触这一课题。1951年的一天，刘易斯突发奇想，决定接受这个挑战，全面研究 BX-C 调控果蝇发育的机制。当时他没有料到，此后自己花费了近30年时间才取得重大突破。
刘易斯首先采用X射线照射和化学诱导的策略，制备更多的果蝇异形突变体。意想不到的是，这些突变基因都位于同一条染色体。刘易斯因此将这些基因分为几个亚类，BX-C 只是其中之一。他随后采用X射线照射，引发发育相关基因的大片段缺失，并通过进一步的单基因回补策略，来判断特定基因的功能。在基因工程与转基因技术尚未诞生的年代，刘易斯只能借助果蝇杂交的方法实现回补效应，困难程度可想而知。由于果蝇发育本身的复杂性和技术手段的局限性，刘易斯几十年如一日地重复着果蝇诱变、杂交、观察、筛选和统计等工作，以期从繁杂的数据中梳理出科学真相。此外，刘易斯还时刻关注着生命科学的最新进展，如操纵子学说提出后，他迅速将该理论应用到发育调控研究，在拓展认识上得到重要帮助。他还特别看重学术讨论，从中汲取了大量有价值的思想与观点。
1978年，刘易斯发表了发育生物学领域一篇具有里程碑意义的论文[6]，总结回顾了自己近30年来关于 BC-X 复合物及相关基因调控果蝇发育的研究成果。在这篇论文中，刘易斯主要提及两个重大发现：首先定义了9类发育相关基因，这些基因与9个体节（T3和A1—A8）呈共线性关系，即一类基因控制一个体节发育，并且基因在染色体上的排布与果蝇体节的顺序呈现严格的一一对应关系；其次发现了许多发育调节基因，如BC-X复合物，可通过影响其他基因的表达（激活一类基因表达，同时抑制另一类基因表达）而执行生物学功能。
果蝇体节发育的共线性[8]
刘易斯对果蝇发育的高度洞察力、科学思维的独创性、科研过程独有的个人魅力以及近乎完美的天才解释，革新了大家对发育过程的理解。刘易斯常一人躬耕于实验室，以果蝇为伴，与科研为伍。这种看起来有点“愚笨”的研究策略、这种专注和执着，代表了那个时代科学家的高贵品质。即使在几十年无明显进展的情况之下，仍然义无反顾，甘坐“冷板凳”，追求这个在当时看来“冷门”的领域。
1978年文章的发表，立刻引起学术界极大的关注，“卅年窗下无人问”的刘易斯，可谓“不鸣则已，一鸣惊人”，众多科学家迅速加入果蝇发育领域，而该领域也迅速成为生命科学研究的一大热点。因此可以说，刘易斯以一己之力，在一定程度上扭转了发育生物学研究的走向。德国女科学家福尔哈德（C. Nüsslein-Volhard）和美国遗传学家威绍斯（E. F. Wieschaus）采用化学诱变策略，制备出众多新型的果蝇异形突变体，进一步鉴定出更多的发育调控基因，从而拓展和延伸了刘易斯的成果。1995年，三位科学家凭借着对“早期胚胎发育遗传控制”原理的发现，分享了诺贝尔生理奖或医学奖。
刘易斯发现的另一大意义在于，促使科学家开始研究 BX-C 复合物的具体生物学功能。进入1980年代，研究人员借助基因测序的方法，鉴定出这些异形基因都包含一段180个碱基的保守序列，命名为异形框（homeobox），其对应的60个氨基酸则被称为同源异形域（homeodomain）。因此，异形基因实际上编码的是一类转录调控因子，这些转录因子通过保守的同源异形域与靶基因特定的DNA序列结合，从而发挥转录调控作用。这些研究极大地加深了对发育过程的理解与认识。
●进化及癌症研究●刘易斯很早就对进化抱有浓厚兴趣。最初的关注点在于新基因产生的原理。1951年，刘易斯在前人工作的基础上提出，同源基因之间通过不对等重组，可产生串联重复基因，进一步借助突变而使基因功能发生分化，最终形成基因簇结构。
果蝇发育基因异形框的发现，促使科学家开始寻找其他生物发育基因的特征，结果在哺乳动物中发现广泛存在一般称为 Hox 的基因，它们是进化上最保守的基因家族。人类拥有39个 Hox 基因，可被进一步分为四个亚类，分别定位于四条染色体。后来借助基因敲除技术，证明 Hox 基因控制小鼠胚胎发育也遵循共线性规则。这一发现使得刘易斯的科学贡献得到极大提升，也使科学家意识到发育是一个高度保守的过程。该发现也是利用果蝇等模式动物研究人类疾病发生机制的重要理论基础（同源基因具有保守的生物学功能）。
上述发现还彻底改变了对器官进化过程的理解，例如同源器官（homologous organ）。同源器官是指不同生物的某些器官在基本结构、彼此间相互关系以及胚胎发育过程等方面具一定相似性，但外形并不相似，功能也有差别，如鸟的翅膀、蝙蝠的翼手、鲸的胸鳍、狗的前肢以及人的上肢等。异形框的发现为同源器官的演变过程提供了重要支持，引发了生命进化研究与发育学的融合，进而诞生了一门新学科——进化发育生物学。刘易斯本人也以果蝇为模型，来研究进化进程。他观察到，四翅突变果蝇与蜻蜓非常相似，而十胸节突变果蝇又和蜈蚣类似等，从而提示了不同昆虫之间有着进化上的关联。
1950年代，刘易斯在研究果蝇胚胎发育之谜的同时，还从事了另一项重要研究，即辐射对人类健康的影响。关于辐射，主流观点认为存在阈值效应，低于一定剂量（阈值）就不会增加癌症发生风险。凭借着在果蝇突变体制备方面的丰富经验，刘易斯敏锐意识到这一说法存在重大问题。他和好友对广岛与长崎遭受原子弹袭击的幸存者进行了实地调查，还对接触放射线的临床医生及患者的白血病发生情况进行了分析，最终得出结论：辐射剂量与白血病发生呈线性关系，并不存在所谓的安全辐射阈值。1957年，刘易斯发表了这一结果[9]，立刻引发了一场争论，最终他用详实的数据表明了自己理论的正确性。
●功成身就●1988年，70岁的刘易斯从自己奉献一生的科研岗位退休，但并未离开实验室和所钟爱的果蝇。即使在去世前一个月，他仍在实验室里忙碌，并完成人生的最后一篇论文。刘易斯实验记录本的最后一行，清晰记载了“果蝇杂交53446”这个数据，代表自1941年第一次杂交开始，在漫长60多年科研生涯中，刘易斯完成的杂交实验总次数（近900次/年）。2004年7月21日，刘易斯因前列腺癌而在帕萨迪纳当地的亨廷顿纪念医院去世，享年86岁[10]。
刘易斯在1986年（来源：wikipedia.com）
刘易斯在科研上堪称人生赢家，除诺贝尔奖外还获得美国遗传学会摩尔根奖章（1983年）、加拿大加德纳基金会国际奖（1987年）、以色列沃尔夫医学奖（1987年）、美国国家科学奖章（1990年）、拉斯克基础医学奖（1991年）和美国哥伦比亚大学霍维茨奖（1992年）等，可以说把相关的重要奖项囊括无遗，算得上赢了个科学奖的大满贯。1968年，刘易斯当选美国科学院院士，此外还是英国皇家学会外籍会员（1989年）。
刘易斯整个科研生涯都以“特立独行”著称。他很少发表论文，因为笃信从事科研唯一动力就是兴趣。他的思维受英国哲学家罗素（B. Rusell）影响甚大，非常看重抽象思维在科学研究中的重要性，非常喜欢从错综复杂的数据中抽丝剥茧，找到科学原理所在。在长期研究不被主流看好的压力下从不气馁，一如既往地坚守自己的信念。
刘易斯继承了摩尔根学派的优良传统，那就是不指派具体研究课题给研究生或博士后，相反鼓励他们自我探索，因为他相信，兴趣和方向是学生自发形成的而非外界强加的。可能跟这个缘故有关，他一生培养的学生数量有限。刘易斯在科研上还非常慷慨大度，免费为同行提供研究材料和相关信息，尤其对刚进入果蝇研究领域的年轻人更是关爱有加，大力提携，帮助他们迅速成长为领域内佼佼者。他的科学成就和个人魅力也吸引了众多年轻学子加入果蝇遗传和发育研究这个领域并加以发扬光大。值得提及的是，刘易斯算得上当仁不让的摩尔根衣钵传人。摩尔根最得意三位弟子穆勒、特蒂文特和布里吉斯均影响了他。刘易斯跟随穆勒的学生走进了果蝇研究殿堂，跟随特蒂文特掌握了揭开果蝇之谜的钥匙，沿着布里吉斯足迹最终荣登诺贝尔奖领奖台。1966年，刘易斯成为摩尔根讲座教授。
参考文献
[1] The Nobel Prize Organisation. Edward B. Lewis. https://www. nobelprize.org/prizes/medicine/1995/lewis/facts, 2019-02-17.
[2] Crow J F, Bender W. Edward B. Lewis, 1918-2004. Genetics, 2004, 168(4): 1773.
[3] Duncan I, Montgomery G E B. Lewis and the bithorax complex: Part I. Genetics, 2002, 160(4): 1265.
[4] Sakonju S. Remembering the year with E.B. Lewis. Dev Dyn, 2005, 232(3): 547.
[5] Lewis E B. The bithorax complex: The rst fty years. Int J Dev Biol,1998, 42(3): 403.
[6] Lewis E B. A gene complex controlling segmentation in Drosophila. Nature, 1978, 277(5688): 565.
[7] Duncan I, Montgomery G E B. Lewis and the bithorax complex: Part II. From cis-trans test to the genetic control of development. Genetics, 2002, 161(1): 1.
[8] Lipshitz H D. From fruit ies to fallout: Ed Lewis and his science. DevDyn, 2005, 232(3): 529.
[9] Lewis E B. Leukemia and ionizing radiation. Science, 1957, 125(3255): 965.
[10] Duncan I, Celniker S E. In memoriam: Edward B. Lewis (1918-2004). Dev Cell, 2004, 7(4): 487.
版权声明：本文原载2019年3月《科学》第2期，《返朴》经授权刊发，对原文略有修订。
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