【諾獎中的“基因”】人類真的可以誘導基因突變嗎？

【諾獎中的“基因”】

很多電影里面，主角獲得超能力的方式總被解釋為某些特殊的影響而導致“基因突變”，例如我們熟悉的蜘蛛俠是被毒蜘蛛咬到，而哥斯拉是受到核爆影響。但是，這些橋段并非沒有任何科學依據(jù)，在自然界中，基因突變在頻繁發(fā)生。那么，人類行為真的可以誘導基因突變嗎？又是誰發(fā)現(xiàn)了這個秘密？

果蠅（圖片來自網(wǎng)絡）

讓我們先回到高中生物課：誰都不會忘記“現(xiàn)代遺傳學之父”托馬斯·亨特·摩爾根和小可愛“果蠅”的故事，自從他將果蠅帶上了遺傳學研究的舞臺，這只小小的蟲子便成了科學家們的好伙伴，為人類生物學的發(fā)展立下了汗馬功勞。摩爾根也因“發(fā)現(xiàn)遺傳中染色體所起的作用”而成為第一位獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的遺傳學家。

歷史總是會有讓人意想不到的巧合。當1912年的摩爾根招收一名叫做荷爾曼·約瑟夫·穆勒的年輕人進入自己的“蠅室”從事果蠅遺傳學研究的時候，他并不會想到，未來穆勒也將一生與小小的果蠅為伴，并在13年后成為第二位獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的遺傳學家。

當果蠅遭遇射線

穆勒認為，在自然條件下果蠅的突變頻率是很低的。為了提高基因的突變頻率，穆勒決定采用強有力的、由放射源產(chǎn)生的短波電磁輻射這樣的“利器”來干預基因。從1921年開始，整整10年穆勒在得克薩斯大學的一間地下室里，不知疲倦地探索用射線誘發(fā)基因突變以及檢測這些突變的方法。他采用X射線照射果蠅，發(fā)現(xiàn)X射線能大大提高基因的突變頻率，在一定范圍內(nèi)突變率與輻射劑量成正比。

正在對果蠅進行照射實驗的穆勒（圖片來自網(wǎng)絡）

1927年，穆勒在他最為重要的《基因的人工蛻變》中寫道:已十分肯定地發(fā)現(xiàn)，用較高劑量的X射線處理精子，能誘發(fā)受處理的生殖細胞發(fā)生高比例的真正的“基因突變”......他十分明確地指出，無論是以X射線引起的基因突變還是自然界中的突變，其本質(zhì)上是一樣的，都是進化過程中的“一磚一瓦”，也即突變?yōu)樯镞M化提供基本的材料。穆勒通過自然界提供的事實和他的實驗證據(jù)告訴人們一種信念:正是突變過程造成了我們所研究的進化，而進化過程又是可以通過人工干預而加快的。

在他公開了自己的研究成果后，研究射線生物學、基因突變過程、基因復制過程的工作紛紛展開，取得了巨大的成就，直接導致了新的科學分支的產(chǎn)生。1946年，諾貝爾委員會將當年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予了穆勒。

基因突變的發(fā)展與運用

基因突變指基因組DNA分子發(fā)生的突然的、可遺傳的變異現(xiàn)象?；螂m然十分穩(wěn)定，能在細胞分裂時精確地復制自己，但這種穩(wěn)定性是相對的。在一定的條件下基因也可以從原來的存在形式突然改變成另一種新的存在形式，就是在一個位點上，突然出現(xiàn)了一個新基因，代替了原有基因，這個基因叫做突變基因。于是后代的表現(xiàn)中也就突然地出現(xiàn)了祖先從未有過的新性狀。后續(xù)的研究表明，基因突變可以是自發(fā)的也可以是誘發(fā)的。自發(fā)產(chǎn)生的基因突變型和誘發(fā)產(chǎn)生的基因突變型之間沒有本質(zhì)上的不同，基因突變誘變劑的作用也只是提高了基因的突變率。

基因突變可以發(fā)生在發(fā)育的任何時期，同時基因突變和脫氧核糖核酸的復制、DNA損傷修復、癌變和衰老都有關系，基因突變也是生物進化的重要因素之一，因此研究基因突變除了本身的理論意義以外，還有廣泛的生物學、醫(yī)學意義。

事實上，導致基因突變的人為外因可以有很多，包括物理方式如應用X射線、激光、紫外線、伽馬射線等；化學物質(zhì)如亞硝酸、黃曲霉素、堿基類似物等；某些病毒和細菌也可能導致基因突變。隨著分子遺傳學的發(fā)展和DNA核苷酸順序分析等技術的出現(xiàn)，現(xiàn)在已能確定基因突變所帶來的DNA分子結(jié)構(gòu)改變的類型，包括某些熱點的分子結(jié)構(gòu)，并已經(jīng)能夠進行定向誘變。

基因突變?yōu)檎麄€遺傳學研究提供突變型，不僅能夠為研究提供思路，在當今科學家的運用下，有了更高的實踐意義。如可以通過誘使生物產(chǎn)生大量而多樣的基因突變，從而根據(jù)需要選育出優(yōu)良的農(nóng)產(chǎn)品品種；又如發(fā)明誘變劑處理雄性害蟲使之發(fā)生致死的或條件致死的突變，然后釋放這些雄性害蟲，使它們和野生的雄性昆蟲相競爭而產(chǎn)生致死的或不育的子代等。

科學精神堅定而偉大

縱觀穆勒的一生，可謂命途多舛：實驗室蒸蒸日上時遭遇美國經(jīng)濟大蕭條，喪失研究經(jīng)費；輾轉(zhuǎn)德國繼續(xù)科研工作時遭遇法西斯上臺；前往列寧格勒繼續(xù)研究，卻遭遇李森科偽科學主義和大清洗；前往英國卻趕上二戰(zhàn)爆發(fā)，英國面臨被入侵的威脅。但值得稱贊的是，無論輾轉(zhuǎn)何方，最困難的時候穆勒也不忘帶上自己的果蠅株系，在二十世紀人類社會最為動蕩的時局中堅持著自己的科學研究，并秉持著心中的正義。

通過實驗，穆勒清醒地認識到人類的某些不負責任的活動會導致人類的基因突變，從而給人類帶來災難。他于1955年參加了以著名物理學家阿爾伯特·愛因斯坦為首的7位科學家呼吁禁止核武器的活動，參與簽署《羅素—愛因斯坦宣言》。作為反對輻射危害的先行者，直接助推了后來國際社會控制核武活動的一系列相關工作的開展。

出品：科普中國

監(jiān)制：中國農(nóng)學會 光明網(wǎng)

作者：張蕃

本文由中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術研究所研究員金蕪軍進行科學性把關