杰弗里·霍尔和他的小果蝇

康琳

1945年，杰弗里·霍尔出生于美国纽约。2017年10月2日，他因解开了昼夜节律机制的奥秘而获得了诺贝尔奖，当时他是美国缅因大学的退休教授。在谈到这次获奖时，他说：“是的，没错。在我还没退休的时候，我的工作内容大半的确与生物节律有关。如果说我们真的取得了一些研究成果的话，这应该是最著名的成果之一了。我和罗斯巴什在20世纪80年代中期就开始了不懈的合作，还有那些我称为实际调查员的人们，比如学生、博士后研究员，每一天都在紧密合作。这让我感到很愉快，因为两个实验室都不是孤立的，我们都得到了对方的很多支持。”

在霍尔看来，这次的诺贝尔奖还有第四位重要的获奖者——“小果蝇”，并认为它作为生物模型的力量再次得到了证实。霍尔说：“当我还是研究生时学过一个短语，叫作‘果蝇法则。当我们追溯到20世纪90年代、40年代、20年代，或者说向后展望时，我们会发现这只是一个十亿分之一的例子：对一个看似与我们无关的生命体所做的基础研究，可能会产生更为深远的意义，甚至超过生命体本身。对果蝇的研究就是这样，几十年甚至超过一个世纪以来都做出了重要的贡献。”

不错，杰弗里·霍尔及其同事研究的就是果蝇神经系统的功能。他们的许多研究方法涉及行为的遗传学研究，并通过对某些由行为突变决定的基因进行分子操作来增强这些行为。他们的研究分为两个方面。

求偶行为的分子神经遗传学研究

果蝇的中枢神经系统是如何控制果蝇的生殖行为的？杰弗里·霍尔及其同事的早期研究涉及识别成年果蝇中枢神经系统的相关部分，方法包括使用“性别马赛克”、破坏这些组织以及使用在中枢神经递质的代谢中有缺陷的突变体乙酰胆碱。

他们的主要精力放在对求偶行为突变体的研究上。这一突变体是由Fru基因座的遗传变化决定的，会导致雄性不与雌性交配，并且与其他雄性进行交配。Fru基因与行为异常综合征一样复杂。杰弗里·霍尔及其同事希望通过在分子层面上识别Fru基因来解开其中的一些复杂性。他们的研究成果和其他关于不育基因及其突变体的神经生物学发现，已经证明了这个因素在果蝇的“性别决定等级”（SDH）中起作用，并且定义了一个新的研究分支。在这种情况下，Fru基因像某些SDH基因一样编码了转录因子。他们还发现，在某些表达出雄性特有的Fru蛋白质的神经元中，

5-羟色胺的产生是由该基因的作用调节的。此外，5-羟色胺神经调节剂似乎可以调节雄性生殖器官的功能，这一功能在某些Fru基因突变体中受到了显著的干扰。

另外两种求偶行为突变体由于异常的雄性“歌唱”行为而被分离出来，即发出刺耳声音（cac）和不和谐声音（diss）的雄性会在向雌性振动翅膀时产生异常的声音。为了理解这些特殊的求爱歌曲是如何被编程的，杰弗里·霍尔及其同事对变异和正常声音进行了高分辨率的分析。对cac和diss基因座的研究具有与Fru基因研究类似的复杂性。例如，互补分析和分子表达评估表明，这两种歌曲的基因都参与了成年果蝇的视觉调节反应（行为上和生理上的），cac的基因编码了由电压调节的钙通道（1个亚基）， 这至少使cac突变体中的求偶歌曲缺陷得到了合理的解释；diss突变最初是由视觉突变体决定的，并编码了一种结合了核糖核酸的蛋白质（NONA）。杰弗里·霍尔及其同事假设NONA对初级cac转录物的转录后处理有影响，从而发现信使核糖核酸（mRNA）的确有几种不同的亚型，这是由不同的剪接和核糖核酸剪辑造成的。

雄性果蝇在求偶歌曲中产生的音调脉冲频率在有节奏地变化，循环持续时间很短，从30秒至90秒不等，这取决于物种。比如黑腹果蝇，其周期基因座的昼夜节律突变引起了歌曲节奏异常，这与日常节律表型的缺陷类似。这些歌曲的发现为科学界对生物节律进行更广泛的研究打开了大门。

生物节律的分子神经遗传学研究

在布兰迪斯大学，杰弗里·霍尔与迈克尔·罗斯巴什合作，通过分析周期基因开始了对昼夜节律的分子研究。在接受电话采访时，霍尔说，这在很大程度上是由于他们从一开始就私交甚密。他们的研究兴趣大多在遗传学领域，这是显而易见的。认识不到10年，他们就开始一起做研究了，觉得他们的背景和技能也许能够互补。霍尔说：“能拥有这样的关系，关键原因在于我们私下就很亲密。我们都对体育、摇滚音乐这些通俗文化感兴趣，所以我们花很多时间一起狂欢，或

者在当地的体育场里一块儿坐着发愁。即使是在昼夜节律之前的研究当中，我们也有很多相似的兴趣——他是分子遗传学家，而我是如假包换的果蝇遗传学家。”20世纪90年代，他们的研究扩展到了分子和神经生物学实验，并发现了果蝇中五个额外的与节律相关的基因，分别是永恒tim）、生物钟（Clk）、循环（cyc）、隐花色素（cry）、色素分散因子（pdf）。这些分子—神经—时间生物学研究涉及以下方面：

☆基因信息内容的确定和操作（用于生物测定）；

☆生物钟基因的体外操作或部分的体外操作——部分是为了评估这些基因在生命周期的不同阶段以及各种神经和非神经组织中的表达模式；这些研究包括了对果蝇行为生理节律的神经起搏器细胞的实验识别；

☆对节律起搏器的环境投入研究，部分由cry功能介导（主要涉及蓝光接收，但似乎也与起搏器实际操作相关），也可能由Clk和cyc基因介導（这些是主要的生物钟因素，但突变体在日常节律中也表现出异常的光反应）；

☆pdf基因操作，在果蝇中并不会编码出字面意思上的色素分散因子，而是一种仅在中枢神经系统中发现的寡肽；这些实验第一次近似地显示了pdf基因是如何参与生物钟的输出功能的，这些功能是果蝇睡眠—苏醒周期的基础；

☆对相近和相远的果蝇物种中的生物钟基因的结构与功能进行了比较；这些数据表明在不同物种之间，某些编码区域是高度保守的，另一些则存在很大的差异。这些发现促成了不同物种间的转移实验，在这些实验中，全部或部分供体物种的周期基因作用已经在黑腹果蝇宿主中进行了生物测定。

为了确定有助于昼夜起搏机制的、与生物钟相关的其他基因，杰弗里·霍尔及其同事一直在寻找新的节律变体。检测这些因素的方法之一是测试携带转基因的果蝇，他们将部分生物钟基因与记录因子——萤火虫荧光素酶（luc）——融合到一起。这使得周期和永恒基因控制的分子节律能够被实时追踪，科学家可以在几天内单独监控进行“发光循环”的果蝇。对有分子缺陷的节律变体进行基于luc的筛选，初步结果包括发现了tim基因座的两种新突变以及一种新的时间生物

学因子cry。

延伸阅读

生物钟是生物体内的一种无形的“时钟”，实际上是生物体生命活动的内在节律性，由生物体内的时间结构序决定。生物钟有四点功能，即提示时间、提示事件、维持状态和禁止功能。与之相对应，在人的大脑里有四个中枢：时间中枢、空间中枢、功能中枢和终止中枢。这听起来有点像开汽车：人什么时候上车，开车到哪里，踩多久的油门，到达后的一脚刹车。

生物钟的遗传实质是生物钟上记块的释放，进化的实质是染色体的变异，退化的实质是染色体功能的关闭。由此看来，生物钟具有两面性：器质性和功能性。器质性决定器官的性质，主要是决定器官的大小、形状和细胞数量，功能性决定器官功能的发挥程度、功能的有无、分泌功能物（如各种酶和素）的多少。

通过研究生物钟，如今已产生了时辰生物学、时辰药理学和时辰治疗学等新学科。可见，研究生物钟，在医学上有着重要的意义，并对生物学的基础理论研究起着促进作用。