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                                                                                                                          科學月刊1983年12月168期   曾惠中

【摘要】

譯案：麥克琳杜克其實在1930年代即對現代生物學上有卓越貢獻，她是第一個將觀察及鑑識玉米染色體所需的細胞學技術發展成功的學者，從而證明了生物在形成配子時在染色體的互換中確有遺傳物質交換，為細胞遺傳學奠定新的里程碑，而跳躍基因則是她後半生的另一高峰。

在今天的遺傳課上，學生都知道基因有兩類，一類是負責蛋白質的製造，另一類則管制蛋白質的製造。但是在1940年代，當麥克 琳杜克提出證據顯示：除了構造基因（負責蛋白質的製造）外，還有控制基因表現的基因時，幾乎沒人理會，甚至被認為極其荒謬。然而，麥克琳杜克就因發現了染 色體上有可以控制其他基因而能改變位置的「跳躍基因」，而榮獲今年諾貝爾醫學獎的殊榮。

麥克琳杜克的事蹟猶如一個科學界的神仙故事，這位孤獨的科學家長久在退隱中追尋真理，她的發現一向受到蔑視，直到新的證據逐漸闡明了其偉大的特質。諾貝爾獎不過再度肯定罷了，雖然來得太遲些。

「跳躍基因」是目前分子生物學中人人知悉卻不甚明瞭的一個課題，它是生物的基因組中一段特殊的DNA，它能夠任意移動並嵌入 其他的DNA序列中。遠在DNA雙螺旋結構與遺傳密碼發現前，麥克琳杜克從實驗結果中即測知其存在，她並提出「基因控制基因，其中某些能游移於基因組中而 控制不同基因的功能」的說法來解釋。

1940年代，麥克琳杜克在美國紐約州長島的冷泉港研究所發現了玉米基因中有一群控制種子（玉米粒）的糊粉層顏色的突變基因，能從突變型回復成自然狀態的野生型，而使子實呈現紅色斑紋。這個結果跟她的同事羅德斯（M. Rhoades,也是一位細胞遺傳學家）的發現十分類似，羅德斯發現玉米粒的基因中有一對黑色的同質結合（homozygous）親代在應該繁殖出都是黑色子代時，居然得到不同顏色的子代，其比率為全黑：黑點：無色＝12：3：1。

因此，羅德斯想到，玉米應有兩個影響玉米粒顏色的基因，一個管顏色，另一管斑紋。當「斑紋基因」出現時，無色的突變基因恢復 成有顏色的形態，因此玉米粒的種皮顯現斑紋。但他的學說必須有兩個重要的前提，一是無色迴變（reversion）成有顏色的頻率要很高，二是這種迴變必 須在有斑紋基因時方能發生。

但是麥克琳杜克不作此想，她假設除了顏色基因外另有兩個基因，其一非常靠近顏色基因，可以直接控制其開或關；另一位於染色體 上距離稍遠處，而可以管制第一個基因開關的速率。麥克琳杜克將此二基因命名為控制成員（controlling elements），以別於負責製造特定蛋白質或的構造基因。她的遠見比發現細菌中有「促進子」（promotor）和「抑制子」（suppressor）基因的夏可（Jacob）及莫諾（Monod）足足早了十多年。

在繼續從事確定「控制成員」在染色體上的位置的研究中（即製作染色體圖），她發現這些基因會在世代更替時移動！而且它會「挾持」一些構造基因一起動作。麥克琳杜克的解釋是：DNA序列的重行排列（rearrangement）可能是控制所有基因表現的原理。

這個觀念對當時的遺傳學家而言是完全新穎的，而當她發表時，根本無人相信。英國愛丁堡大學遺傳教授芬肯說：「有兩個理由可以 說明她的遭遇，第一，她觸犯了當時生物學的信念──染色體是穩定的。第二，她太急於將如此複雜的證據表現給同行，以致他們完全無法吸收。」芬肯記得，在 1948年當他還是研究生時第一次遇見麥克琳杜克，她立刻非常熱切地向他解釋這個發現，而且似乎逢人便如此。受到大家的漠視而得不到認同，麥克琳杜克失望 極了，從此她退隱且沉默，彷彿縮到蝸殼中，但仍不放棄研究。

為什麼麥克琳杜克的成就要經過如此漫長的歲月才被科學界肯定呢？包括芬肯教授和許多科學家同聲指出，她的工作內容實在難以了 解。有人說她的論文深奧難讀，也有人說她的發現超越了當代甚遠，使人目眩而困惑。不過，她的移動基因的說法使同行的思維混亂而導致反感，倒是事實。像許多 先驅者的例子一樣，一旦她排除了荊棘，後繼者的路就好走多了。麥克琳杜克決心繼續努力，她每天長時間在冷泉港的實驗室中工作，住則將就在附近的一座小公寓 裡。與麥克琳杜克有三十年交情的英國蘇色斯大學微生物遺傳教授西蒙斯描述她這段淒楚而孤寂的日子說：「她的研究成果大部分發表在冷泉港研究所的年刊上，而 非那些著名的期刊，這種學術上的自我隔離幾乎使她在學術圈中完全呈現空白。但是她不是像傳言所說的成為隱士，她很樂意傾聽實驗室同仁的苦水，雖然在工作上 與眾不同，但她絕不是不要朋友和同事的。」當她獲悉得獎時，對此榮譽的感想是：「……為獎勵一個多年來從觀察玉米中解決問題而得到許多樂趣的人，這個獎似 乎不太必要。」麥克琳杜克今年已經是八十一高齡了，她仍然在觀察玉米。

雖然麥克琳杜克的革命性理論未受重視，但對她早期研究玉米遺傳20年的際遇而言，這種結果並不意外。

1920年代，麥克琳杜克在康奈爾大學開始遺傳研究生涯時，染色體上帶有基因且能交換這項事實尚無直接的證據。人們曉得生物 細胞在形成配子時，染色體的行為與孟德爾所描述的「因子」的性質相符，隨後貝森（W. Bateson）授以「基因」這個名稱，而後摩根研究果蠅的遺傳，發展出染色體圖的觀念。他以果蠅的性狀在親代出現的頻率以及形成子代時分離的頻率為基 礎，確定了決定性狀的基因若是在染色體上距離愈近，則當減數分裂時這些基因就愈不易分離，這種「連鎖」現象使摩根可以決定染色體上基因的位置。而麥克琳杜 克的早期成就在於她把摩根的觀察結果與顯微鏡下的染色體行為連起來，她的實驗明確地顯示染色體於減數分裂的早期有互換的現象，而此形態的交換即為DNA的 部分交換。

麥克琳杜克用的材料是玉米，她選的性狀是玉米粒的顏色及有無澱粉。顏色由C（color）基因控制，而澱粉的產生則由Wx基 因決定。如果一株玉米擁有Wx基因則它的玉米粒含有澱粉，如果沒有而為隱性的wx／wx，則缺乏澱粉而呈蠟質（waxy），這兩個基因都在第9號染色體 上。麥克琳杜克研究的玉米品種中有一個有特別的9號染色體，它不但比普通的染色體長且一端有個結，這可能是在此品種的育種史上某時期獲得了額外的染色體。 這個品種的顏色與澱粉基因都是異質結合（heterozygous）的，也就是C與wx在一條染色體上，C在有結的一端，wx在較長的一端（另一條染色體 的基因是c與Wx）。麥克琳杜克將此C／c、Wx／wx品種與另一無色但有澱粉（異質結合）的玉米 c／c、Wx／wx品種交配，她檢視其後代並決定其基因型。對於顏色基因，這很簡單，如果子代玉米粒有顏色，那麼它的基因型一定是C／c，因為這是唯一的 可能。然而澱粉的產生卻難以判定了，因為Wx／Wx與Wx／wx的兩種子代都是有澱粉的。玉米的性狀中還有另一現象，如果染色體上帶有Wx基因則其花粉粒 會含澱粉，可以用傳統的碘液試驗染成藍色，因此Wx／Wx的花粉能被染色，但是Wx／wx則混雜有含澱粉花粉與蠟質花粉。因為麥克琳杜克知道有結且較長的 9號染色體帶有C與wx基因，因此她可以明確地判定染色體的形態和基因型的關係。於是，無色蠟質的玉米粒只有在親代的染色體發生互換且交換了遺傳物質後， 得到一種基因型c／wx，而其染色體必然是有較長的一端，但另一端卻無結。簡而言之，只要c基因變成C基因，染色體就多一個結，而只要Wx基因變為wx基 因，染色體就變長。

所以在1931年，麥克琳杜克和克萊頓（H. Creighton）毫無疑義地證實了當染色體發生互換時，其所含物質與遺傳訊息也同時交換。芝加哥大學的微生物教授夏比洛（J. Shapiro）認為，就只憑這項成就，麥克琳杜克應該可得諾貝爾獎而無愧。

不過，今年諾貝爾獎委員會卻只稱許她發現了移動基因。麥克琳杜克會研究移動基因，緣起於她研究所謂環形染色體（ring chromosome）。環形染色體是一種突變的染色體，非常不穩定，因此帶有此染色體的植物形態有許多變異。玉米粒上的斑紋有時出現在已經矯正錯誤的細 胞中，麥克琳杜克因而發現生物細胞中具有偵檢和修正DNA的機制。在玉米胚中，環形染色體會斷裂成直線形，而產生新的末端，研究這種斷裂又修復的過程，麥 克琳杜克從中發現了玉米粒的顏色變化有特殊方式，因而歸納出會移動的「控制成員」基因。

科學界一直等到夏比洛教授在劍橋清晰地證實細菌中有跳躍基因存在後，才逐漸接受麥克琳杜克的想法。劍橋大學遺傳系教授阿希本 納專門研究果蠅的跳躍基因，他推斷延誤給獎的主因是：「她的發現距離當時所知的太遠，沒有人能將它和有關基因的知識連結起來，」他同意麥克琳杜克的「神秘 性」也阻礙了別人接納的可能。夏比洛教授卻不以為然：「神秘只是當資訊不足時人們用來解釋未知事物的模式，我認為芭巴拉（麥克琳杜克的名字）是改變我們對 遺傳學的看法的人，她發現許多我們無法解釋的事情確實在進行。一個胚胎如何知道它有一個斷裂的第4號染色體必須立刻修理？我不認為那是神秘主義，我認為它 很複雜，而我們還找不到答案罷了。芭巴拉絕不是一個神秘家，她是有史以來最聰明的遺傳學家。」

在最近出版的一本由凱勒（E. F. Keller）教授執筆的傳記中（譯註），作者談到麥克琳杜克頗樂於被稱呼為神秘家，她還說她要超越性別與身體的羈絆。在一個男性為主的科學圈中，女性要 打天下並不容易，而諾貝爾獎證實了她的超人能力，她是唯一在醫學生物界中單獨獲獎的女性。

對麥克琳杜克來說，她一生的心路歷程也就是她的科學的寫照。

（本文譯自New Scientist, 13 Oct., 1983）

譯註：凱勒教授所著的"A Feeling for the Organism",由W. H. Freeman公司出版（1983年），為一本描述麥克琳杜克一生極生動的書，書評頗佳。

曾惠中任教於東吳大學微生物系，本刊總編輯