发现乳糖操纵子的人：雅克·莫诺

 

来源公众号： 生物题　原作：Agnes Ullmann (法国) 

雅克·莫诺堪称20世纪最伟大的生物学家之一，他是生物学第二次重大革命（分子生物学时代）的领军人物。

1910年2月9日，雅克·莫诺出生于巴黎。第一次世界大战期间，随家族逃往瑞士，后于1918年迁回法国戛纳。他的父亲是一名画家，母亲是美国人。受母亲影响，莫诺从小喜欢音乐，以至于后面一度想从事音乐指挥家。

1928年，18岁的莫诺进入巴黎索邦大学学习生物，期间还组建一个合唱团。毕业后进入斯特拉斯堡的爱德华·沙顿实验室进行动物学研究。1932年，莫诺在罗斯科夫海洋生物研究站结识几位影响终生的科学家，他们是：生物测量学家乔治·泰西埃，微生物学家安德烈·卢沃夫，遗传学家鲍里斯·埃弗鲁希，化学家路易·拉普金。

1934年，莫诺登上Pourquoipas号科考船前往格陵兰岛展开科考活动。1936年，原本他要再次前往，却被鲍里斯·埃弗鲁希说服，两人一同前往美国加州理工大学摩尔根遗传学实验室学习遗传学。这次偶然的决定，改变了莫诺的命运——不久之后，Pourquoipas号科考船在格陵兰岛遭遇风暴沉没。是埃弗鲁希救了莫诺一命。

图1/莫诺在Pourquoipas号上

经过一年的学习，莫诺回到法国。此时，他开始“不务正业”，在一个交响乐团演奏大提琴，还兼职指挥。

1937年，莫诺开始放弃原生动物的研究，转而研究大肠杆菌。不久，他发现了著名的“二次生长”现象：当培养基含有两种糖时，细菌会出现两个间断的生长阶段。这两种糖一种是葡萄糖，另一种是乳糖或者麦芽糖。此后，他开始孜孜不倦地投入到相关研究中。一开始，他的解释是：半乳糖苷酶属于诱导酶，它的形成会被葡萄糖抑制，两次生长阶段的间隔即为诱导期。

1941年，莫诺以论文《关于细菌生长的研究》获得博士学位。不过，评审委员会未能察觉到这篇论文的独创性。之后，二战爆发，法国沦陷，莫诺加入巴黎地下抵抗运动。不久之后他成为地下武装抵抗组织的领导者。巴黎解放后，莫诺以法国第一军团参谋部成员的身份同美国军官们交流，并接触到美国的科学研究进展。他看到卢里亚和德尔布吕克关于细菌自发突变的文章，也看到了艾弗里、麦克劳德和麦卡锡关于DNA是遗传物质的研究成果。

图2/莫诺（左二）陪同为年轻士兵授勋

很快，莫诺决心继续他的微生物学研究，他加入了巴斯德研究所并成为安德烈·卢沃夫实验室的负责人。起初，这个实验室主要进行生物化学、微生物学研究。后来，免疫学家梅尔文·科恩和他一众学生的加入，使队伍迅速壮大。而莫诺的主攻方向依然是他博士期间酶的研究。他以β-半乳糖苷酶为研究对象，先研究它如何形成的，接着研究诱导物的种类与性质，后来还研究了β-半乳糖苷酶合成速率差（ΔZ/ΔB，Z代表β-半乳糖苷酶、B代表细菌）。

这次，他运用了同位素示踪技术并证明是在诱导物的作用下，β-半乳糖苷酶是从氨基酸开始合成的。他还发现，一旦诱导开始，酶的合成速度极快，并绘制了“莫诺图”。他还合成了诱导物（乳糖）类似物，比如硫代半乳糖苷，发现也可以诱导β-半乳糖苷酶的合成，不过这些类似物不能像乳糖那样被β-半乳糖苷酶分解。反而有些物质虽然能被β-半乳糖苷酶分解，却不能诱导β-半乳糖苷酶的合成。他的朋友科恩评价“以琥珀酸为养分的细菌，居然被诱导产生一种它根本无法利用的酶——β-半乳糖苷酶，这简直是进化上最荒诞的剧本”。莫诺的这种合成类似物做诱导剂的办法，后来成为生物实验中的作用研究工具。这段时期，莫诺的思想带有明显的拉马克主义色彩，最显著的是“诱导酶合成”这一术语的平凡使用，它似乎诉说着只要生物到了对应的环境中，就会诱导合成某种适应性的酶。

为了全面研究细菌的“二次生长“，莫诺定义了细菌生长的各种定量指标，比如生长阶段、生长速率以及生长常数，他把细菌生长做成了细菌生理学和生物化学的研究方法。他摸索了促使细菌以恒定速率持续生长（即后来的连续培养）的生理和环境条件，这为后来的微生物学的发展奠定了重要的理论基础。这使得他可以随心所欲地调整生长速率，更重要的是可以筛选出特定的细菌突变体。

莫诺对数字十分敏感，实验室在进行连续培养时，原计划每小时添加1L培养基，但实际情况是只能添加690mL培养基才能维持细菌正常生长状态。当许多同时都认为“细菌像人一样需要休息”时，莫诺指出“ln2约等于0.69”。众人恍然大悟，很快提出了连续培养的完整理论。

1946年，莫诺意识到，仅仅从微生物学与生物化学的角度，无法真正理解酶的诱导现象的本质。于是，他开始进入细菌遗传学的研究。他分离到了各种乳糖酶合成突变体，其中包括后来颇具影响力的无法利用乳糖，但可以合成β-半乳糖苷酶的突变体；不需要诱导物就能持续合成β-半乳糖苷酶的突变体。

对这些突变的研究，促使了半乳糖苷透过酶的发现。它和β-半乳糖苷酶是由共同的诱导物异乳糖诱导产生，负责增大细胞内乳糖的含量，以便进一步促进β-半乳糖苷酶和半乳糖苷透过酶的合成。同时，突变体研究还发现了阻遏基因，它编码阻遏蛋白使上述诱导酶难以合成，而它突变后就表现为不需要诱导物就可以持续合成β-半乳糖苷酶。

1953年，莫诺调入“细胞生物化学”部门任负责人。在这个新部门里，他开始和弗朗索瓦·雅各布合作，后者擅长开展细菌结合与基因转移实验。

1957年，美国生物学家亚瑟·帕迪来巴斯德研究所度过休假年，他们开始进行一项具有里程碑意义的实验，即大名鼎鼎的PaJaMo实验。实验的内容是对基因型为z+i+的雄性（供体）细菌与基因型为zi的雌性细菌结合，检测产生的合子的β-半乳糖苷酶的合成情况。结果发现：没有诱导物时，无论亲本的雄性还是雌性细菌，都不能合成；合子却在几分钟内即可合成β-半乳糖苷酶，但大约1h后，酶的合成便停止了；当加入诱导物后，又可以合成。

对于以上实验的解释是：z+代表能β-半乳糖苷酶基因，z表示该基因突变；i+代表阻遏蛋白基因，i表示该基因突变。一开始，雄性菌因为存在阻遏蛋白，而无法合成β-半乳糖苷酶。而雌性菌因为β-半乳糖苷酶基因突变，也无法合成。结合时，z+基因进入受体细胞可以立即表达出β-半乳糖苷酶，但同时i+基因也在表达出阻遏蛋白，随着阻遏蛋白的含量逐渐增大，z基因表达受抑制，这样就出现先合成β-半乳糖苷酶，1h后停止合成的现象。加入诱导物（乳糖）后，诱导物抑制阻遏蛋白作用，β-半乳糖苷酶又可以合成了。

据此，他们提出了著名的乳糖操纵子遗传调控模型。与此同时，这些实验促使他们预测了当时还未发现的mRNA的存在。对后来的分子生物学的发展起到了重大推动作用。

在乳糖操纵子模型中，他们将基因分为两类：结构基因（lacZ、lacY和lacA）和调节基因（lacI）。lacZ编码β-半乳糖苷酶，分解乳糖，使之成为能被细菌利用的能源；lacY编码乳糖转移酶，负责将乳糖吸收进入细菌内；lacA编码乙酰基转移酶，功能尚不明确；lacI编码阻遏蛋白，负责与结构基因上游的操纵基因结合，阻止结构基因表达。而当存在诱导物时，诱导物与阻遏蛋白结合，阻止其发挥抑制作用，结构基因表达。

图3/缺乏乳糖时，结构基因不表达

图4/存在乳糖时，结构基因表达

20世纪60年代初，阻遏蛋白与诱导物之间、阻遏蛋白与操纵基因之间的相互作用机制得以阐明。但分离阻遏蛋白始终没有获得成功，直到1969年，乔纳森·贝克维斯（J.R. Beckwith）成功地从大肠杆菌的DNA中分离出乳糖操纵子，完全证实了雅可布和莫诺提出的理论模型。

此时，莫诺对蛋白质分子的信号识别机制产生浓厚兴趣，萦绕在他脑海里的问题有：阻遏蛋白如何识别诱导物？在生物合成途径中，往往是第一种酶的活性“恰好”被最后一种酶的产物所抑制，这是如何实现的？

1961年末的一个深夜，莫诺带着疲惫与忧虑的神情进入了实验室。他默默地站了许久，然后缓缓地对同事说：“我想我发现了生命的第二个秘密。”几杯威士忌下肚后，他提出了一个新名词——变构效应，当然，他也是刚刚才想明白的。那些结构各异、彼此间并无空间关联的蛋白质效应物（如抑制剂、激活剂等），可以同蛋白质的不同位点结合。比如阻遏蛋白，可以处于两种不同的构象状态：在一种构象状态下，能够同激活配体结合；在另一种构象状态下，则与抑制性配体结合。

图5/酶的变构效应

变构效应是细胞调控机制中一个极为重要的理论，细胞信号转导就涉及到它。而后面的朊病毒传递构象变化的机制，其实也是以蛋白质变构效应为理论基础。

1965年，安德烈·卢沃夫、弗朗索瓦·雅各布和雅克·莫诺，因在酶和病毒合成的遗传调控方面做出的贡献，分享了诺贝尔生理学或医学奖。

图6/安德烈·卢沃夫（右）、弗朗索瓦·雅各布（左）和雅克·莫诺（中）在实验室，1965年

莫诺提出的许多概念在现代生物学中具有开创意义。基因表达调控的概念是生物技术革命的先驱，也是诸多生物现象的基础。生物科学中复杂的细胞信号调控回路的研究，便轰轰烈烈地开始了，至今仍然是热门研究方向。

正如操纵子模型所预测的那样，大多数情况下，发育过程的调控是由那些能够结合到DNA分子特定位点的转录激活/抑制因子实现的。在进化生物学领域，莫诺的观点也得到广泛认可并成为现代进化生物学的基本理论。“形态多样性的演化实际上是由调控系统的变化引起，而非基因数量或蛋白质功能的改变。（Carroll，2000）”“在进化发育生物学领域，雅各布和莫诺的理论可用于解释动物间形态变异的成因……许多进化上的变化确实源于基因调控方式的改变。（Gann）”

1967年，莫诺被任命为法兰西学院的教授。他在就职演讲中谈到了“从分子生物学到知识伦理学”，这成为他晚年的主要研究方向。1969年2月，莫诺在加利福尼亚州克莱尔蒙特举办的“罗宾斯讲座”上，他做了题为“现代生物学与自然哲学”的讲座，讲述了4点内容：①生物作为非自然存在的物体，②DNA与生命的起源，③蛋白质与目的论，④观念的世界。随后，他开始着手《偶然与必然》一书的撰写。这部书于1970年出版，是达尔文关于进化与自然选择理论的现代语言诠释。莫诺在书中指出，“人类终于意识到：自己孤立无援地存在于冷漠无情的宇宙之中。而人类的出现纯属偶然。人类的命运于责任都未被预先设定。是走向光明还是堕入黑暗，完全由人类自己决定。”很显然，对调控机制的研究激发了莫诺对生物进化机制的思考，而他对进化的理解，由让他愈发认为进化论是有史以来最重要的科学理论，因为他揭示了各类生物存在着深刻的本质共性，分子层面的运作机制完全一致，这对哲学、意识形态及政治层面具有重要意义。这本书大获成功。

1973年，莫诺在创建“罗瓦蒙特人类科学中心”的过程中发挥了重要作用。该中心旨在解决现代生物学与社会科学领域中的各种问题。包括基础人类学、动物与人类的交流方式、社会学、行为学等问题。1975年10月，著名的认知心理学家让·皮亚杰也出席了该中心的会议，并于莫诺展开了一次辩论。他们探讨了语言发展过程中哪些是先天的，哪些是后天习得的。当讨论到生命的复杂性问题时，莫诺指出，如果要问一个细胞内DNA的总含量，应该大约是100万个基因，其中大约仅1万个结构基因。这一数值与后经证实的数据相当接近。

晚年的莫诺意识到法国已经沦为科学发展落后的国家，他开始在科学研究的同时，积极参与公共事务，尤其是对学术研究体系改革格外上心。他极力维护学术机构的独立性，积极推动国内的研究机构开展国际合作。为扭转巴斯德研究所捉襟见肘的财务状况，他亲手制定了一套全新的科研+产业发展的计划并取得了显著成效，挽救了一个日益衰败的研究机构。

莫诺喜欢构思，富有想法，也喜欢写作。他的文字逻辑严谨而文笔优美，是科学文章中的典范。他说：“一个漂亮的模型或理论或许并不正确，但一个丑陋的模型则肯定是错误的。”他的执教风格也别具一格——生动有趣、不囿于纸面上知识的传播。他挑选学生的标准也让人津津乐道——理想的人选是绝对无知又极其聪明的学生。

1975年，莫诺患上疾病。此时，他仍然坚持工作，履行着他作为所长的职责。他童年患过脊髓灰质炎，因而他尤其热爱运动，为此他坚持攀岩等锻炼，直到他生命最后的日子。

1976年莫诺病逝于戛纳，享年66岁。

图7/1976年5月28日在去世前3天，莫诺还在从事帆船运动

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