用“基因畫(huà)筆”給蝴蝶染色

蘇晚

當(dāng)那只蝴蝶破繭而出時(shí)，美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究員羅伯特·里德驚呆了。它是一只銀紋紅袖蝶，本應(yīng)該穿戴著鮮艷的橙黃色外衣，有著像老虎皮一樣的條紋。但他眼前的這只蝴蝶身上完全沒(méi)有橙色的痕跡，它基本上是黑色和銀色的。

這只蝴蝶怎么會(huì)變成這個(gè)樣子呢？

負(fù)責(zé)填色的optix基因

原來(lái)，里德刪除了銀紋紅袖蝶基因中一個(gè)叫optix的基因，就創(chuàng)造出了這種黑黝黝的蝴蝶。后來(lái)他通過(guò)刪除各種各樣的蝴蝶中的optix基因，發(fā)現(xiàn)蝴蝶翅膀上紅色的部分都變成了黑色：除了銀紋紅袖蝶從一只鮮艷的橙色昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)變成黑色小蟲(chóng)外，小紅蛺蝶也失去了它復(fù)雜多彩的圖案，幾乎變成了單一的顏色。這種改變就像是在圖片處理軟件中把圖片調(diào)成了灰度模式一樣，這些原本應(yīng)該鮮艷多彩的蝴蝶看起來(lái)像灰撲撲的蛾子。

這些實(shí)驗(yàn)揭示了optix在不同蝴蝶身上作用都是一樣的，即像一支畫(huà)筆一樣，給蝴蝶翅膀上色。如果說(shuō)有些基因就像畫(huà)家的手一樣，決定畫(huà)筆落筆的位置，另一些基因扮演著顏料的角色，那么optix就是一支畫(huà)筆，給蝴蝶的翅膀上著色。如果沒(méi)有了optix這支畫(huà)筆，顏料就填不上去，蝴蝶的翅膀上就會(huì)產(chǎn)生黑色素，而不是原本應(yīng)該絢麗多彩的顏色。

更有意思的是，當(dāng)他們?cè)诔Ｒ?jiàn)的七葉樹(shù)蝶身上也敲除了optix時(shí)，不僅原本棕色和黃色的部分變黑了，其翅膀還獲得了閃耀的金屬般藍(lán)色。而蝴蝶種群中就有這樣一群以令人驚嘆的熒光藍(lán)而聞名的蝴蝶——閃蝶。它們身上的熒光色是由于翅膀上鱗片的微觀層次的作用，可以收集、反射和放大藍(lán)光，使它從特定角度上看上去特別閃耀?？磥?lái)，七葉樹(shù)蝶原來(lái)也擁有像閃蝶一樣能制造這種熒光藍(lán)翅膀的材料，可能被optix抑制了，使七葉樹(shù)蝶看起來(lái)只是一只棕色的無(wú)光澤蝴蝶。

設(shè)計(jì)輪廓的WntA基因

除了optix，科學(xué)家還在蝴蝶中刪除了一種叫做WntA的基因，發(fā)現(xiàn)它在不同蝴蝶的翅膀中，起著不同的作用。在小紅蛺蝶和七葉樹(shù)蝶身上，看起來(lái)像是有人拿了一塊橡皮擦，擦掉了原本的斑點(diǎn)。而對(duì)于斑點(diǎn)木蝶和薩拉長(zhǎng)翼蝴蝶，翅膀中的黑色部分消失，而原來(lái)的白色和黃色填補(bǔ)了這些地方。在銀紋紅袖蝶中，一些銀白色的斑點(diǎn)消失了。在帝王蝶中，有些原來(lái)是橙色的地方像是被白色顏料所覆蓋，而這白色原來(lái)是黑色條紋的邊緣，原本是幾乎看不見(jiàn)的。

總之，敲掉了WntA的基因，就改變了蝴蝶翅膀中的圖案。如果說(shuō)optix基因是填充顏色的畫(huà)筆， 那么WntA基因則是繪制草圖的工具，它決定了翅膀各種顏色圖案的輪廓。

強(qiáng)大的基因編輯技術(shù)

里德之所以能這么容易證實(shí)optix和WntA是控制蝴蝶翅膀外觀的“基因畫(huà)筆”，是因?yàn)槭褂昧艘环N名為CRISPR的基因編輯技術(shù)。

長(zhǎng)久以來(lái)，包括里德在內(nèi)的許多生物學(xué)家都在尋找著這些翅膀圖案背后由什么基因所控制。在早期的研究中，通過(guò)艱苦的雜交育種實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們?cè)?jīng)找出了一些決定圖案的基因，但是到底這些基因是怎么去控制的，他們?nèi)晕纯芍?。只是?dāng)時(shí)沒(méi)有刪除基因的技術(shù)，無(wú)法看出這些基因的缺失是怎樣引起蝴蝶翅膀產(chǎn)生改變的。因此，他們的研究像是碰到了一堵高墻，沒(méi)法得到有力的證據(jù)。

而正是CRISPR改變了一切。

其實(shí)，在生命進(jìn)化史上，這一技術(shù)已經(jīng)被細(xì)菌利用了數(shù)十億年，用以清除病毒制造的外來(lái)入侵基因片段，是細(xì)菌在與病毒進(jìn)行斗爭(zhēng)的過(guò)程中進(jìn)化出的免疫方式。該技術(shù)直到最近五年內(nèi)才被科學(xué)家掌握，使研究人員能夠更容易、更精確地切割和編輯DNA，做一些十年前根本無(wú)法想象的實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在，他們可以用CRISPR來(lái)探測(cè)癌細(xì)胞的弱點(diǎn)、研究身體是如何構(gòu)建的，以及了解我們的腳如何從魚(yú)鰭進(jìn)化而來(lái)等。

CRISPR的優(yōu)點(diǎn)在于它是如此萬(wàn)能，使得科學(xué)家們可以在不同物種中迅速操縱相同的基因。CRISPR就像是一把能夠剪斷DNA的分子剪刀，雖然限制性?xún)?nèi)切酶也能剪斷DNA，但這兩者的不同之處在于，一種限制性?xún)?nèi)切酶只能在特定的位點(diǎn)對(duì)DNA進(jìn)行切割，而CRISPR則更為靈活，通過(guò)人為設(shè)計(jì)可以調(diào)節(jié)它所要剪斷的位點(diǎn)。

當(dāng)里德第一次看到那只翅膀圖案被改變的蝴蝶飛出來(lái)的時(shí)候，他不禁感慨，剪切基因本來(lái)應(yīng)該是他職業(yè)生涯中最大的挑戰(zhàn)，有了CRISPR技術(shù)，現(xiàn)在卻成為一個(gè)本科生都能勝任的項(xiàng)目。CRISPR是一個(gè)奇跡，有了它，科學(xué)家就可以隨意操作一個(gè)受精卵中的基因，并準(zhǔn)確地觀察它所起的作用。假以時(shí)日，科學(xué)家們將能夠駕馭這種著色方法，實(shí)現(xiàn)為活體蝴蝶設(shè)計(jì)翅膀圖案。