遗传学是一种思维方式

——源自老师的文化传承

玛丽·克莱尔·金（Mary-Claire King）于2020年威廉·艾伦奖（William Allan Award）获奖感言

译者：安焕平 

（译者话：在我们走向科学殿堂的路上会遇到很多的老师，他们教会了我们知识，教会了我们实验技术、方法，教会了我们思考，教会了我们做人……这一切引导我们走向科学探索的前沿。杰出科学家玛丽·克莱尔·金在艾伦奖颁奖典礼上，精彩呈现了她的老师们是如何影响她、从而使她走向科学巅峰的故事。读完让人如沐春风，受益匪浅。）

我衷心地感谢协会授予我艾伦奖，感谢朋友对于我工作的肯定，没有什么比这更重要的了。考虑到今天的演讲既要有颁奖喜悦、又要庆贺人类遗传学在这不平凡的一年中的发展，起初我就想讲讲帮助过我的朋友们。但是阿拉文查·克拉瓦尔蒂（Aravinda Chakravarti）建议我谈谈我的老师们。

因此，我的今天的演讲将是一个关于传承的故事：它不是遗传学的传承，而是文化的传承。在我走向人类遗传学的过程中，有三位遗传学家让我受益非浅，他们是：柯特·斯特恩（Curt Stern），艾伦·威尔逊（Allan Wilson）和卢卡·卡瓦利·斯福尔扎（Luca Cavalli-Sforza）。下面我将讲讲我在向这些杰出人物学习时所做的工作，以及这些学习对我有什么启发。

科特·斯特恩（Curt Stern）

1966年，我去加州大学伯克利分校就读生物统计学研究生，那时遇到了柯特·斯特恩（图1）。当时我导师是雅各布·耶鲁沙尔米（Jacob Yerushalmi）。在他的建议下，我选修了斯特恩的《遗传学》课，那是他退休前的最后门课，之后他就65岁了，也就退休了。我本科是数学专业，而且也没有上过生物学课程，但是耶鲁沙尔米博士说，“你不能错过这门课程，因为你将永远记住这门课。”耶鲁沙尔米博士说对了。我选修了斯特恩博士的课程之后，在耶鲁沙尔米博士的帮助下，转到了遗传学来攻读我的博士学位，至今无悔。

（图1. 柯特·斯特恩：1902-1981）

斯特恩博士的课程非常吸引人。他每天一点钟就来教室了（那个课程是每周五次），然后在黑板上写下“当天的思考题”。思考题有时是图形，有时是复杂的交叉问题，有时也可能是一个简单的问题。我会和另外150人一样带着问题进入课堂， 经过50分钟的学习之后，我就会明白如何解决它。非常有趣！

在一天的课堂上，我和斯特恩博士进行了一次特别甜蜜、且简短对话。上那门课的地方是一个大教室，我喜欢坐在教室前面，这样可以清晰的看到他的的板书。在斯特恩博士的课之前，我需要在校园东边上一节课。因此，我会在上一节课结束后骑上自行车，我快速下山，然后跑进生命科学大楼，几乎在斯特恩博士走进教室的同时到达教室。但是有一天，我的上一节课提前结束了，我像往常一样快速下山，斯特恩来时我已经在教室坐好了。他看着我笑着说：“我迟到了吗？”这太可爱了，从而使我不自主的在课程结束后，告诉他我有多喜欢他的课。之后他邀请我在下半学期参加他的研究生组会，那半学期是他做教员的最后半学期。

斯特恩博士实验室的研究生讨论会是基于他精选的论文，这些文章全部以嵌合体（注：正常体内诱导缺陷细胞从而实现对缺陷细胞的体内研究）为主题。在20世纪60年代，嵌合体是果蝇、植物和哺乳动物中最为活跃的研究领域。斯特恩博士是该领域的领军人物。当时分子生物学刚刚起步，因此许多关于嵌合体的问题都是概念性的（我们现在仍在问许多同样的问题），回答这些问题的方法常常也是基于遗传杂交而不是分子生物学。事实上，嵌合体技术在果蝇中是非常适合通过遗传杂交来实现。

斯特恩博士从20世纪20年代就开始研究果蝇。他在柏林长大，21岁时在柏林获得了博士学位。1924至1926年，他在哥伦比亚大学获得了一个职位，然后成了托马斯·亨特·摩尔根（Thomas Hunt Morgan）果蝇实验室的成员之一。斯图特万特（A.H. Sturtevant）、穆勒（H.J. Muller）、卡尔文·布里奇斯（Calvin Bridges）以及柯特·斯特恩（最年轻的一位）共用一个果蝇遗传实验室。

果蝇很快被发现有一种超能力：唾液腺的染色体巨大（它们是多线染色体），因此当时条件下可以通过显微镜观察。这个发现使果蝇遗传学成为了在细胞水平理解遗传学现象的新工具。例如，斯特恩博士发现染色体互换发生在有丝分裂期。从而使得细胞遗传学与普通遗传学的衔接铸就了一个新概念并且取得了突破，类似的衔接也用在现在物理遗传距离和基因图谱定制中。

1926年，斯特恩博士在任期结束后回到柏林。幸运的是，1932年他被再次邀请到了美国加州理工学院，做为期一年的访问。他告诉我说，在1933年底他回到柏林的时候，他的家人和朋友都说，“不要回来，留在美国。你绝对不能回家。”他接受了他们的建议，1939年成为美国公民，并在美国度过了他的余生。

我在斯特恩博士的课程和研讨会中学的都是遗传学，而不是纯粹的人类遗传学。在20世纪60年代人类遗传学仍然只是观察性。基于纯粹通过观察，斯特恩博士在该领域做出了重大贡献。1928年，作为一名年轻研究人员，在柏林的Nervenarzt杂志上，用一篇完美的的论文介绍了两个概念。他写道，“出现相同临床症状的患者可能有潜在的不同遗传因素。相反，相同的基因型可能导致不同的临床表现。”他一方面描述了基因的异质性，另一方面说明了基因的多效性。基于对人类表型及模式生物的的观察，他提出了两个人类遗传学的经典概念。

1974年，斯特恩博士获得艾伦奖。那时他已经患有帕金森病，在美国人类遗传学会（ASHG）举办的的艾伦奖颁奖典礼上，他的学生吉姆·尼尔（Jim Neel）代表他发言。吉姆在发言中说，斯特恩博士给他的学生留下的就是对遗传学的爱。对我来说，这种特殊的传承就是在课堂上以及实验室里好好教学生。虽然我没能做斯特恩博士的研究生，但在他给我的第一门课、第一次研讨会让我学到的已经伴随我已有50多年。

艾伦·威尔逊（Allan Wilson）

1969年至1973年，我在艾伦·威尔逊实验室读研究生（图2）。在我成为他的研究生之前，他劝阻我过别离开科学界，因此拯救了我的学术生涯。1967年，在伯克利我转到了遗传学，在这样一名著名的细菌遗传学家实验开始学习。我不知道这里学习有多难，但对我自己而言，困难是如何做实验。那个细菌遗传学实验室非常著名，我很感激被录取，但是那里没有有经验者帮助新人的习惯。所以我完全不知所措。

（图2. 艾伦·威尔逊：1934-1991）

1969年，拉尔夫·纳德（Ralph Nader）来到伯克利看望他的妹妹。在这期间，他翻阅了加州历史，并决定开展一个项目，调查谁控制了加州的土地。他的团队需要一位生物学家，因此他给了我一份暑假的工作。我答应了，在那里度过了一段非常美好的时光，与农场工人一起工作，学习农药的使用和喷洒，并实践了一项研究的实际开展情况。

夏末，拉尔夫给了我一份华盛顿特区工作，在那里做他国会项目组成员。我准备接受这份工作，并和艾伦·威尔森谈了我离开的决定。通过工作我们已经是好朋友了。艾伦极力反对我辍学。

“如果你和纳德一起去华盛顿，”他说，“毫无疑问，你会做得很好。但你会只有学士学位。如果你从事与科学相关的工作，你不能控制你的计划，你将永远从事其他人设计好的工作项目。还是留在伯克利吧。”

他接着说，“完成你的博士学位，然后你就可以自主的从事你所喜欢的课题。”

我说，“艾伦，目前我的实验都没好的结果啊。”

他说，“听着，如果每个实验失败的人停止做科学，那么这里就没人了。”

“艾伦！”我说，“这对你来说很容易，你是一个非常优秀的生物化学家。我只是擅长写方程式，但不太擅长做实验。”

接着他说，“让我们看看能否开展一个对实验操作要求不太高，而又可以利用你写方程式的优势的课题。”

因此就有了我开展人类和黑猩猩之间的分子进化课题。

艾伦用分子钟研究进化，通过同源分子在不同物种的差异程度来衡量进化。他和他的学生通过配对比较亲缘关系相对较近的物种以及亲缘关系较远的物种之间分子差异，从而开发了一种测量同一分子在不同物种中免疫交叉反应性（例如，溶菌酶）的方法。使用同样的构想，威尔逊实验室比较了物种之间的DNA相似度，比较了同一物种之间的DNA退火的温度和速度，以及两个不同物种之间的DNA退火的温度和速度。

艾伦建议我用一种独立的实验方法，通过不同蛋白质电泳迁移率来确定物种内部和跨物种之间个体相同或者个体不同的比例。凝胶电泳是一种全新的技术，基于蛋白质的相对大小和电荷可以直接区分蛋白的电泳迁移率。艾伦在鸟类中通过测试脱氢酶已经验证过他的想法。最关键的是，玛格丽特·戴霍夫（Margaret Dayhoff）当时出版了她的《蛋白质序列和结构图谱》的文章，所以我们对一些人类蛋白质序列就有了了解。

我不喜欢，艾伦也许也不喜欢的是，为了比较人类和黑猩猩体内的蛋白质，我们需要做数十组不同凝胶电泳分析实验。非常幸运的是，埃洛·吉布利特就在当时发表了《血液遗传标记》，我将她实验中所有成熟的实验方法都用在了人类和黑猩猩蛋白质的电泳比较中。在我学生时代我没见过吉布利特博士，但几十年后，当我搬到西雅图时，我们成了好朋友。2009年，在埃洛去世时，她遗赠给我《血液遗传标记》的原始副本，空白处有她用铅笔亲笔做的笔记。

威尔逊实验室的文化是非常的包容与开放。过了一段时间后，我熟练地掌握了各种电泳技术，甚至可以教别人。我的结果非常清楚地表明在蛋白质编码基因中人类和黑猩猩之间有99%是相同的。威尔逊实验室已经证明，在其他哺乳类中这一级别差异可以表征为表型无差异的亚种（例如，小鼠）。明显这是一个悖论，因为我们和黑猩猩在解剖学特征以及在生活方式上有很大的不同，超出亚种的范畴。

1975年，艾伦和我将这个故事发表在了《科学》杂志。我们以悖论的形式呈现这个故事，同时提出了一个当时我们没有办法验证的假说。我们提出在人类进化的关键进程中，蛋白质编码基因序列以及在生长过程中这些基因表达时间的变化并不多。2005年，也就是艾伦去世14年后，黑猩猩基因组完成，其序列证明了我们当时的假设是正确的。但艾伦知道我们做对了。一旦证据确凿，艾伦对自己的结果充满信心

艾伦在分子进化方面的大量工作极具创新性，远远超过了我做的那个课题。他最具创新性的结果是预言了人类黑猩猩差异进化发生在5～6百万年间。根据化石证据，当时的正统观点认为，人类和黑猩猩的分化要早得多，大约在15到20百万年之间。艾伦重要的观点是：化石证据和分子证据都有助于我们理解人类进化，但方式不同。原始人化石告诉我们远古人类生活的地点和时间，但不会告诉我们它们在进化过程中发生了什么。艾伦告诉我们，“所有活着的物种都有祖先，但不是所有的化石都有后代。”分子进化揭示现存物种的祖先。他的结果，以及分子钟在进化研究中的普遍实用性，已经被多次验证过。

从20世纪80年代中期开始，PCR（聚合酶链式反应）成了遗传学中强有力的新技术。卡里·穆利斯（Kary Mullis）和艾伦是好朋友，所以艾伦从卡里的第一次实验中就知道PCR。早期的PCR有一个趣特征，就是在扩增前要克隆。克隆这一步很乏味，无法进行大规模实验。然后艾伦证明克隆步骤是没有必要的，可以直接对PCR产物进行测序。当然，直接扩增使PCR工作速度大大加快。艾伦对这项技术的创新感到非常自豪。这个技术他很快进入了标准化，而艾伦的创造却没有记在其中。今天可能很少有遗传学家记得PCR产物最初是要克隆的。

早期PCR的另一个有趣特征是它的解释来自于一位艺术家：加里·拉森（Gary Larson）。在早期PCR的时候，为了达到热循环，我们设置不同温度下的水浴，从而将PCR管在不同水浴中不断转换。那个效果很好，但很乏味，而且经常有点潮湿。在水浴之间转移的日子里，艾伦的另一位好朋友加里·拉森来访，看道我们管子从一个水浴转移到另一个水浴，就询问这是在干啥。因此艾伦解释了PCR和卡里的工作。几天后，艾伦办公室的门上出现了一幅漫画。三个穴居人坐在潮水池附近的海滩上，拿着贝壳，它们浸在一个池子里，一个接一个。这幅漫画的标题是“远古时代的PCR”。

1986年，艾伦获得了麦克阿瑟奖（MacArthur Fellowship），是麦克阿瑟奖中最早的一批。他没有活到将他的想法验证完，由于白血病于1991年他就去世，享年56岁。他的学生和博士后来自于所有生物学领域，也都在这些领域工作：文斯·萨里奇（Vince Sarich）、琳达·麦克森（Linda Maxson）、史蒂夫·卡尔森（Steve Carlson）、汤姆·怀特（Tom White）、贝基·坎恩（Becky Cann）、斯万特·帕珀（Svante Paabo）、斯科特·爱德华兹（Scott Edwards）、琳达·维吉兰特（Linda Vigilant）、马克·斯通金（Mark Stoneking）、安娜·迪·里恩佐（Anna Di Rienzo）、以及我，还有还有很多。艾伦教会我们学术上无所畏惧。

卢卡·卡瓦里·斯福尔扎（Luca Cavalli-Sforza）

我不是卢卡·卡瓦利·斯福尔扎的学生，也不是他的博士后，但是他的帮助对我来说非常重要（图3）。使我进入了人类分子遗传学的世界。卢卡是我们学会的活跃分子。他1987年获得艾伦奖，1989年担任美国人类遗传学会（ASHG）主席。

（图3. 卢卡·卡瓦利·斯福尔扎：1922-2018）

到了20世纪80年代初，我还是加州大学伯克利分校的一名年轻教员，通过统计方法和连锁分析研究遗传性乳腺癌。而卢卡，在斯坦福大学已经开始将分子生物学的工具运用到人类遗传学。利用限制性片段长度多态性进行人类差异检查的可能性已经被大卫·博茨坦（David Botstein）及其同事发表，为关联分析及基因定位提供了比凝胶电泳更有效的技术。卢卡在积极利用这些方法。

当时在斯坦福大学的一个研讨会上，我报告了一些遗传性乳腺癌的观点，卢卡对我很好。我当时在做使用最大似然率评估乳腺癌群体遗传风险的统计学模型。他提出了批评性的建议，但态度非常积极。他的组里也有来自数学遗传学的学者，例如年轻的同事费舍尔（R.A. Fisher）。和沃尔特·博德默（Walter Bodmer）一起，卢卡写了《群体遗传学》，这对我思考人类遗传学的方式产生了极大的影响。当时他也开始着手《人类基因的历史和地理》，这本书出版于20世纪90年代，至今仍是这领域一部杰作。

在他的实验室里，卢卡开始将分子生物学引入医学遗传学中。在人类疾病的遗传学方面我没有任何经验。在分子生物学、生物化学以及遗传学中伯克利具有明显的优势，但当时在伯克利没有任何设备可以将这些领域与人类医学遗传学联起来。卢卡问我是否愿意在他的实验室待一段时间。我当时有一个小女儿，所以我没办法整个假期去斯坦福。但在那些日子里，你可以从伯克利开车去斯坦福，期间花费不到一个小时，所以以天为单的短期访问变得可行而频繁。

卢卡向我展示了如何像我们思考其他物种的遗传学一样去思考人类遗传学。就像在其他群体中一样去模拟人类群体中的突变、选择、迁移、漂移，对人类群体遗传研究引入参数，然后想如何将这一方面的研究应用到人类疾病基因的鉴定。

在我和卢卡在这样非正式休假的日子里一起工作时，阿根廷五月广场（Plaza de Mayo）的祖母们问我们能否帮她们解决一个紧急问题。当时阿根廷军事独裁政权刚刚结束，祖母们希望能够帮她们确认被绑架的孙子们，以及被杀害的孩子们父母。我们为解决这一问题开发了统计学参数，是贝叶斯统计的一个简单应用。祖母们感谢我们，并且请卢卡到布宜诺斯艾利斯（Buenos Aires）去帮助他们将这个方法付诸实践。卢卡一点也没有错过教我的机会。他对我说，“对我来说，我不是做这件事的合适人选，但你是。你在南美教过书，你可以用西班牙语工作，显然你也懂遗传学。但最重要的是，你与这些女人被谋杀的女儿们年龄相仿，你女儿也和他们被绑架的孙女一样大。你应该去布宜诺斯艾利斯解决一下这个问题。”于是我就去了，在1984年6月做了我认为这是一次伟大的旅行。已经超过36年了，该项目还在继续。祖母们和我开发的工具现在被普遍使用，包括法医学以及联合国法医人类学团队（和我们一起在20世纪80年代工作了的阿根廷年轻人创建的）。

遗传学是一种思维方式

跨越不同时代、有着不同背景、而且有着鲜明个性的三位老师有着共同的世界观：他们热爱遗传学，认真对待其他热爱遗传学的人。现在想想，这个世界观通过三种方式体现。

他们对证据都进行了批判性思考，包括他们自己的以及我们的数据。他们每个人都花了很长时间给我们解释他们的观点，努力让我们理解他们的观点。他们每个人都能接受改变，如果证据不一致，就会改进他们观点。但你必须坚持你的证据，并进行强有力的论证。最重要的是证据的质量以及围绕证据你构建的概念。

他们每个人都非常擅长把复杂的问题总结成易于验证的问题，从非常复杂的想法中提炼出可用已有方法验证的假设。当然，这些工具正在迅速发展。想象一下他们用现在的基因组学工具可以完成怎样精彩的工作。

他们每个人都认为没有什么问题是大到不能问的。他们明白，遗传学是一种思维方式，随着技术手段越来越好，遗传学将为进化、发育、疾病提供根本性的答案。现在的基因组学技术，使我们对科学问题中的探索更加开放。我的每一位老师为他的学生们留下了无畏提问的遗训。我希望我们也能这样做！

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33667391/