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"Look at the stars. Look how they shine for you. And everything you do. Yeah they were all yellow."
—— Coldplay, Yellow
撰文 | 孫夢逸
責編 | 陳曉雪
一個傳奇的基因
一百多年以前，現代遺傳學之父，托馬斯·亨特·摩爾根著名的 「果蠅房」（Fly room）裡面誕生了一批奇形怪狀的果蠅突變體。利用這批突變體，年輕的本科生阿爾弗雷德·斯特蒂文特（Alfred Sturtevant）開展了日後成為經典的基因定位（Genetic mapping）實驗。在第一批果蠅突變體裡面，有一個突變體，全身泛著金黃色的光澤，於是就被起名為「阿黃」。阿黃之所以那麼黃，是因為一個叫做「黃」（yellow）的基因突變所導致的。
少為人知的是，「黃」 除了影響果蠅的體色，還能夠影響果蠅的求偶行為。果蠅的求偶有一整套繁複的儀式：成功交配之前，雌性果蠅會不斷地移動，而雄性果蠅需要找到合適的角度，通過扇動翅膀，向雌性果蠅唱出頻率特殊的 「情歌」。而早在1915年，斯特蒂文特就發現，可憐的阿黃，追不到姑娘…… 它們經常會一連幾個小時繞著雌性果蠅兜圈子唱歌，卻不能開始交配。而它們的生殖系統顯然是沒有問題的：只要開始交配，它們總是能夠成功地產下後代。
果蠅的求偶過程。圖源：Massey, Jonathan H., et al，2019
那麼，是不是因為阿黃那與眾不同的外表，果蠅姑娘不喜歡呢？1956年的時候，牛津大學的瑪格雷特·巴斯托克（Margaret Bastock）細緻地分析了雌果蠅在求偶過程中對於阿黃和野生型雄果蠅的反應，基本排除了這個可能性。在瑪格雷特的年代，大家已經知道阿黃是由單基因突變（「黃」突變）引起的，因此，瑪格雷特也在發表的文章裡面第一次明確提出，應該從單基因的角度，去研究動物行為學。十多年之後，沿著這一思路，西摩·本澤（Seymour Benzer，見「本澤傳奇」）和他的弟子們，掀起了行為遺傳學的革命。
「黃」 能夠影響果蠅的體色，是因為這個基因參與果蠅黑色素（melatonin）的合成。一旦「黃」突變了，黑色素不能完全合成，果蠅的體色就會泛黃。然而「黃」為什麼能夠影響果蠅的行為，卻一直是個未解之謎。
直到我的朋友，隔壁實驗室的喬恩·馬西（Jon Massey）開始探索這個基因的秘密。
一段曲折的旅程
照片中這位眼神略帶憂鬱的小哥，就是比我高一級的喬恩。喬恩給我的第一印象，是他十分的友善，也十分的勤奮，而且還富有幽默感……他在系裡每次報告他的工作，都能給聽眾帶來許多歡樂。
喬恩所在的實驗室，是在演化發育（Evo-Devo）領域小有名氣的翠莎·維特科普（Patricia Wittkopp）實驗室。
翠莎博士師承美國科學院院士，肖恩·卡羅爾（Sean B Carroll）。肖恩可說是演化發育（Evo-Devo）領域的先行者，他尤其對基因調控的變化如何導致物種的參差多態感興趣。而昆蟲體色的演化，正是這方面極好的例子。自然而然，翠莎在博士研究生期間的工作，是研究「黃」這個基因在果蠅中的調控演化如何影響不同果蠅體色的變化。她對「黃」這個基因的歷史，可說是門兒清。不過在博士之後，翠莎把目光轉向了宏觀層面基因表達的演化。「黃」則被冷落了很多年——直到喬恩的加入。
喬恩的本科和碩士，做的都是有關昆蟲行為的工作，因此一直對昆蟲行為的演化非常有興趣。在了解到 「黃」 鮮為人知的歷史以後，一下子就被這個問題所吸引，並決定挑戰這個百年未解之謎。在做這個決定的時候，他大概沒有預料到這會是多麼曲折的一個旅程。他首先想尋找的，是「黃」到底在哪些細胞裡面起作用。不巧的是，「黃」差不多在所有的細胞裡面都有表達。所以第一步要做的是縮小篩選的範圍。
直覺上，影響行為的基因，最有可能通過影響神經系統起作用，畢竟神經系統是控制行為的中樞。之前對 「黃」 與行為關係的研究雖然稀少，但有限的幾個證據，都指向這個基因可能參與神經系統的運作：第一， 「黃」 在神經系統裡面有表達；第二， 「黃」 在神經系統裡面的表達，受到一個能夠對果蠅交配行為有重大影響的基因，無果基因（fruitless）的調控；第三，「黃」參與的黑色素合成的通路，是和合成神經遞質多巴胺緊密連接的。因此，合理的思路，當然是去尋找「黃」對神經系統的影響。
喬恩也正是從這個方向開始的。
既然無果基因能夠影響 「黃」 基因的表達，而無果基因對果蠅交配行為又如此重要，那麼，是否「黃」就是在表達無果基因的細胞里起作用呢？基於這個猜測，喬恩設計了兩組實驗。
第一組實驗，是在野生型雄果蠅表達無果基因的細胞中降低「黃」的含量。假設「黃」是通過影響這些細胞影響果蠅行為，那麼當這些細胞中「黃」的含量被人為地降低，野生型雄果蠅的求偶成功率應該也會降低。第二組實驗，是在阿黃表達無果基因的細胞中提高未突變的「黃」含量，基於同樣的假設，過表達的「黃」應該能夠提高阿黃的求偶成功率。
讓人沮喪的是，喬恩沒有觀測到任何不同的表型……野生型雄果蠅依然那麼成功，而阿黃還是追不到姑娘。
不過話又說回來，通常做一個研究項目，第一個實驗方向，都是失敗的方向。這種小小的挫折，應該也算不上什麼。喬恩和他的小夥伴們，很快把目光轉向了另一個能夠控制「黃」表達的基因。這個基因叫做雙性（doublesex）。顧名思義，這個基因也是果蠅影響果蠅性行為的一個重要基因。喬恩和他的小夥伴們故技重施，又做了兩組實驗：在野生型果蠅表達雙性基因的細胞裡面降低「黃」的表達，以及在阿黃表達雙性基因的細胞裡面過表達「黃」。這一次，他們成功觀察到了預期的結果：野生型果蠅變得情場失意，而阿黃這次追到了姑娘。整個研究似乎一下子柳暗花明。
值得一提的是，這個關鍵結果，是由一位出色的本科生，Daayun Chung 做出來的，現在在美國西北大學神經科學系讀博。這不由讓人想起斯特蒂文特在做出關鍵實驗的時候，也只是一個本科生，實在是冥冥中自有天意。
讓我們回歸正題。
針對雙性基因的一系列實驗表明，「黃」很有可能是在表達雙性基因的果蠅細胞裡面起作用而影響到果蠅的交配的。喬恩於是決定從表達雙性基因的神經組織下手。他開始嘗試分別在多巴胺神經元、五羥色胺神經元、谷氨酸神經元、膠質細胞等細胞裡面降低「黃」的表達。然而，不管在哪個細胞類群里降低「黃」，野生型果蠅表現都很堅挺。絕望之下，他甚至嘗試把所有神經細胞裡面的「黃」都降低，結果依然是不顯著。
那麼，難道這個項目，就要終結在這裡嗎？
天無絕人之路。這個時候，一個新的機會來了。
一個有趣的結果
位於維吉尼亞州勞登縣的珍妮亞農場研究所，是當今神經科學研究的聖地。2017年的時候，喬恩獲得了一個獎學金，可以去珍妮亞農場做一段時間的訪學研究。他訪學的實驗室，是研究果蠅行為的專家，大衛·斯特恩（David. L. Stern，不是NBA那個）。
他加入斯特恩的實驗室之後，就迫不及待地和大衛聊起了他的研究項目。大衛聽完了以後，微微一笑，給他提了一個建議。
這裡要先介紹一點背景。珍妮亞農場獨步天下的絕技，是他們各種尺度的生物成像技術。從生物大分子尺度的攝像，到宏觀動態的生物行為錄像，技術水平都是當世最好的幾個地方之一。2014年以超解析度螢光顯微鏡獲得諾貝爾獎的埃里克·貝齊格（Eric Betzig），就是珍妮亞農場的研究人員之一。
2017年去珍尼亞農場之前，喬恩·馬西已經記錄了700個、大約350個小時的果蠅行為視頻。圖源：lsa.umich.edu
結合這個背景，大衛的建議是：「也許你們對果蠅求偶行為的觀察還不夠細。這裡有最先進的高速攝像儀，通過這個攝像儀，你們可以獲得大尺度，高清無碼的果蠅求偶錄像。也許通過觀看這些錄像，你們能夠找到線索。」
一言驚醒夢中人。喬恩立刻著手對果蠅求偶行為進行錄像。在日以繼夜地觀看果蠅的黃色小視頻之後，喬恩有了一個意外的發現。
原來阿黃根本就不是求偶的技巧不行。它們求偶的各種花樣，比如唱歌，跳舞，做得和野生型果蠅不相上下，唯一的區別是，當它們前戲做足，到了關鍵一刻的時候，它們……抱不緊雌果蠅
那麼，要抱緊雌果蠅，需要些什麼呢？答案是需要一對有著特殊結構的前腿：黑腹果蠅的前腿上，有著形似梳子的剛毛（Sex combs），這個特殊結構給果蠅提供很強的抓握能力。在這些剛毛裡面，雙性基因也是有表達的，從而阿黃也會在這個組織裡面表達。如果雄果蠅無法抱緊雌果蠅，有可能就是這個結構出了問題，而不是一直以來認為的神經系統。
通過查閱文獻，喬恩發現了一個不引人注意的小知識點：黑色素的表達，不只是改變果蠅外表皮的顏色，還能夠影響外表皮的硬度。阿黃不能夠正常合成黑色素，它們的剛毛可能就比較軟。
接下來的實驗就順理成章了。喬恩特異性地在野生型果蠅的剛毛裡面降低「黃」的表達，果然野生型果蠅的表現變得和阿黃一樣。在阿黃的剛毛裡面特異性地過表達野生型「黃」基因，它們的交配成功率就恢復到和野生型一樣。喬恩還通過別的方式在果蠅剛毛里阻止黑色素的生成，也觀察到果蠅交配成功率顯著下降。
至此，終於真相大白。
還有一個彩蛋
喬恩的這個項目，謎底算是解開了。但是，這個謎底事實上帶出了更多有趣的問題。第一個問題，其實也埋在一百多年前斯特蒂文特的觀察里：阿黃雄果蠅，和野生型的雌果蠅交配成功率雖然不高，但是和阿黃雌果蠅的交配成功率卻極高…… 這也是為什麼獲得阿黃突變的純合品系並不難的原因。無獨有偶，有些種類的果蠅，根本就沒有黑腹果蠅裡面的這種剛毛。那麼，這些沒有剛毛的果蠅，它們的交配行為有什麼不一樣的地方，又是怎樣演化出來的呢？像「黃」這樣的突變，會不會是果蠅裡面物種形成的關鍵呢？所有的這些有趣的問題，都有待更多的研究。這樣的問題也許永遠不會窮盡。「別忘了山谷里寂寞的角落裡，突變的阿黃也有春天。」
尾 聲
從珍妮亞農場回來之後，喬恩做了一場精彩的畢業答辯，從那之後，他就獲得了 「密西根大學首席鑒黃師」 的稱號。喬恩的文章最終發表在著名的國際期刊 elife 上，而喬恩自己，則奔赴哈佛大學醫學院繼續他對果蠅行為的研究，不知道他又會給我們帶來什麼故事。但我相信，一定會是有趣的故事。
作者簡介
孫夢逸，密西根大學演化生態系5年級博士生，主攻演化系統生物學。閒時喜歡閱讀，願為科普做些微小的貢獻。
註：香港科技大學的吳淑婷同學對此文的修訂貢獻巨大，特此致謝。
參考文獻
[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.
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