1946年諾貝爾生理醫學獎

讓遺傳因子發生突變，並不是一件容易的事，可是Muller在五年之內，找到一把打開難關的鑰匙，他用一種特殊的技巧，完成X光放射產生遺傳突變的實驗，這對人類的進化影響很大，也就是說人種的改造，可以用人工來完成，使人類能適應任何環境。

1945年8月7日，美國總統杜魯門宣佈：一種可怕的新式武器已經在廣島使用。原子彈的使用雖然加速了第二次世界大戰的結束，但也對人類的生存造成威脅，僅少數人知道這種武器的生物效應，除了Muller之外，世界上還沒有人對這一事件生物學上的意義有更深的了解。（1）

Muller發現X-ray誘發突變，對遺傳學與生物學方面的 重要性是無法估計的

20世紀初期，染色體是遺傳基因要角的觀念迅速地被提倡，1910年，以T. H. Morgan、H. J. Muller、C. B. Bridges、A. H. Sturtevant為中心，由Morgan所指導的一群研究者，創立了遺傳研究的新基礎。遺傳因子之構造研究以及人工影響遺傳基因複製之可能性，也就是以人工改變遺傳基因，因而得以改造生物的研究工作，顯然極具吸引力，經過幾年的共同研究，Muller離開Morgan的研究小組，全力投入此領域之研究，尋求以人工改變遺傳基因的方法。

科學家已經知道遺傳物質會自然發生突變，而引起個體特性的變化，這些變化有著各種型態，但都是很罕有的現象，Morgan所採用的果蠅，世代短且方便檢查實驗對象中數千個個體，都很少發現突變。Muller從事改變突變頻度的實驗，他以非常巧妙地方法設計出正確測試突變的方法，這個實驗耗費了數年時間。這個問題解決之後，Muller便使用各種作用原來研究突變頻度的改變，結果發現了X-ray的照射會引發大量突變，甚至使曝光於X-ray下的果蠅發生幾乎100％的突變，也就是1946年諾貝爾生理．醫學獎的得獎主題。就這樣，終於使得以人工使遺傳物質發生變化成為可能。

此發現於1927年第一次發表時便引起轟動，也促使了以不同生物作各方面的研究。對X-ray的作用機制，則由Muller指導眾多研究者開始研究。X-ray的照射可比作非常小而破壞力強大的手榴彈，可以使被曝光的生物體內所有部位爆破，爆破可以破壞細胞的構造，或使其組合發生混亂。如果這種爆破發生在遺傳基因或其附近，那麼就會使遺傳基因的構造，以及其對生物體的影響發生變化。

實驗遺傳的的最高技術，便是使遺傳因子發生變化。Morgan派利用自然突變為其研究手段之基礎，而Muller發現一種簡單的方法，使極少發生的自然突變，可以在任何研究室無限制促成。放射線的照射效果很普遍，所有生物—單純的病毒、細菌及高等動植物—都會因為照射而發生突變。此後遺傳學神速發展的重要原因之一，是拜這種技術上的突破所賜。

對於遺傳基因的複製與突變過程等問題，Muller的發現導出新的研究方向，也產生了新的科學領域，Muller本人一直不厭其凡在此領域執行其研究工作，並與其門生擔當其發展的指導地位。

有關突變過程的知識累積，影響並刺激廣大領域的研究，不但在理論上，而在實際上也得到重要的結果，如應用在遺傳學，尤其對植物改良、進化論、代謝研究、醫學各領域，尤其是優生學和一般的病因學等。

由應用的領域多樣性得知，Muller的發現是基礎性的，遺傳學是近代生物學的複合構造基礎。Mendel、Morgan、Muller等三位，都是出類拔萃的遺傳學創始者。

—摘自1946年諾貝爾生理．醫學獎頒獎詞（2）—

 

堅定的信心和頑強的毅力使Muller走向了成功

Hermann Joseph Muller生平

Hermann Joseph Muller出生於1890年12月21日，紐約市。他的祖父母是有專長的技工出身，原本是天主教徒，在1848年復古主義全盛時期為了謀求更大的自由，從德國西部的萊茵地區遷居美國。Muller的父親在紐約出生，繼承祖父的金工業，於1900年去逝，他很早就把為人的幸福、宇宙之本質與進化的過程等生動的興趣灌輸給年幼的Muller。Muller的母親Frances Lyons Muller也在紐約生長，她的雙親是由英國遷來此地，她的祖先是屬西班牙與葡萄牙的猶太系，異己糾紛的餘波使他們在數代前遷居英格蘭與蘇格蘭。Muller的母親和他父親一樣，教導他要有關懷生物、熱愛大自然的胸襟。

每到夏天，Muller一家人總喜歡到阿迪朗達克山，或到哈德遜河邊渡假，Muller三歲時就跟著父母沿著阿迪朗達克山的羊腸小徑徒步遠足，最令他感興趣的便是活動在草叢中的小動物，他經常離開大人，一頭栽進草叢中左撲右抓，終於在父母的幫助下抓到了蚱蜢和許多小蟲子，高高興興地把它們帶回家餵養起來；每天早上起來，Muller第一件事便是給他的小動物餵食，有時他竟能蹲在飼養這些昆蟲的籠前看上大半天，正是這種吸引力使Muller在研究基因突變的過程中發揮了巨大的力量。

父親經常向他講述大自然的現象，晚上父親指著夜空中的繁星，告訴他星座的位置，有時候也講一些科學家，像哥白尼等人的故事，宇宙的浩瀚和神秘有巨大的吸引力，使六歲的Muller曾立志當一名天文學家，但另一件事卻改變了他的志向。

Muller 8歲的時候，父親帶他到美國自然史博物館參觀，這是一座建於1773年的大型博物館，收藏了許多極有價值的標本。Muller在父親帶領下東看西摸，恐龍標本高大宏偉，但他只停留了一會便走開了；他跑到巨大的鯨魚標本前面，大為讚嘆，世界上竟有這麼龐大的動物，不一會兒，他又跑開了。

在陳列一系列化石馬的馬足標本前，Muller卻好像被什麼吸住了一樣，這真是一件奇怪的事情—有趾頭的馬足，竟然能變成馬蹄的樣子。在父親的幫助下，Muller明白了以草為食的馬在強大的肉食動物面前，必須要跑的快才能生存。由於中趾發達的馬跑得快，得以生存下來，並繁殖更多的後代，這些中趾更發達的後代，有更強的生存能力，經過無數世代之後，馬的中趾便演化成為馬蹄。

幼年的感受給人留下極深的印象，特別是實物標本，給予人立體的感受。從那時起，在Muller的腦海裡經常閃過這樣的想法，既然自然界能夠發生逐漸演化的過程，人類最終也能控制它，並用來造福人類。

Muller生長在哈萊姆區，最初就讀本區的公立學校，後來就讀布隆克斯的莫立斯高等學校。他與同學Lester Thompson、Edger Altenburg等共同創立了可能是高中未曾有過的科學俱樂部。Muller的家庭過著十分節儉的生活，得以在哥倫比亞大學的動物系就讀，是因為Muller得到了1907年自動給付入學考試成績優良者的Cooper-Hewitt獎學金。學生時代的暑假他都很勤快地在銀行或旅館當小弟。

在大學時代第一學期結束前，Muller便對生物學產生濃厚興趣。1908年夏天，他閱讀了P. H. Lock有關遺傳學的書，使他將注意力集中到此領域，在主任E. B. Wilson的指導下，開使用遺傳學的觀點思考生物問題。課外閱讀書籍—Jacques Loeb與其他作者的實驗生物學、有關生理學之著作—對Muller也造成相當大的影響。1909年，他設立了學生生物俱樂部，較晚入學的C. B. Bridges和A. H. Sturtevant也先後加入。

因為在動物系沒能找到工作，研究所的頭兩年Muller以獎學金維生，後來依靠Cornell Medical College生理學系教育研究員薪金，一方面繼續研究遺傳學。這期間他從事在夜校教導外國人英語等業餘工作。後來Muller得到哥倫比亞大學動物系的助教職。研究所的研究除了第一個夏季在Woods Hole研究所進行外，都在哥倫比亞大學的研究室邊教邊進行。五年間Muller不眠不休的工作，這期間對Morgan開發的采采蠅研究產生興趣，1910年以來，Muller與此項研究有很深的關聯，也是這小組的成員之一，但到了1912年他還沒有機會用此材料自己做實驗。

1912年，Muller開始研究很多連鎖的遺傳因子之相互關係，這成為支持crossing-over的理論根據，也成為他的博士論文根基。同時，Muller又用marker genes進行可變的多重因子分析，擴大了chromosomal inheri- tance和gene stability的有效性，進而導出balanced lethals的理論。

1915年至1918年，Muller接受Julian Huxley聘請，擔任休士頓的Rice研究所講師，教各種生物學課程，同時也開始突變學研究。這段時間與後來在哥倫比亞大學的兩年中間—1918至1920擔任講師—完成了定量突變研究之方法， 得到突變領域的最早成果，這也包括了溫度影響之證據。

1920年Muller回到德克薩斯，擔任Austin的德克薩斯大學助教。1925年Muller升任教授，主要教遺傳學與進化論，研究方面則全力投入突變之研究。

1918、1920、1921、1926年，Muller確立了今天公認的自然突變之主要原理，包括大部分的突變是有害的，及由分子熱運動過程所引發，普通顯微鏡看不見之物理化學偶發事件所造成的單點影響。同時，Muller提倡遺傳因子不但與進化有關，也主張它是生命的根基。基因具有將本身的變化傳遞給後代的特性，所以他認為這個現象是代表生物根本上的問題。

1926年，Muller獲得X-ray可使基因突變，以及促使大量染色體變化的決定性證據，在1927年發表，開闢了多方面的研究途徑，接下來20年間，他的研究所或其他研究所，在Muller的門生或同僚的協助下進行各種研究。這些發現的結果—關於基因突變之影響機制、突變之形成機制、自然突變在進化所扮演的角色、基因與染色體之本質（由染色體的切斷與再排列研究得知），成為獲頒諾貝爾獎研究的中心。後半段的研究則於各地進行。

1932年Muller獲得Guggenheim獎學金，到柏林的Oscar Vogt研究所N.W. Timofeeff遺傳研究部留學一年。後來接受N. I. Vavilov招聘，駐在蘇聯科學協會的遺傳研究所三年半，1934至1937年先在列寧格勒，後至莫斯科與眾多研究者共同研究。

隨著T. Lysenko的反遺傳學運動升高，1937至1940年，Muller轉到University of Edinburgh的動物遺傳學研究所，在此與許多來自印度的研究生共同研究。

1940至1945年，他在Amherst College執教兼作研究，完成了繁複的老化對自然突變影響之實驗，最後，Muller在1945年任印州Bloomington印第安納大學動物系教授，在此他再度得到可專心研究放射線誘發突變的機會，也利用突變作遺傳分析及放射線生物作用研究。

J. I. Valencia、Ruby M. Valencia、I. H. Herskowitz、I. I. Oster、S. Zimmering、S. Abrahamson、A. Schalet、J. D. Telfer、Helen U Meyer、Sara Frye、Helen Byers等人參與的小組研究中，是關於各種條件或作用原對采采蠅突變頻度的影響。在放射線照射前後、有無放射線時的影響、 放射線的線量率、全線量的影響、對誘發或自然突變在細胞階段的感受性之異同檢查等。作研究的突變種類包括點突變及染色體的結構變化。E. A. Carlson的研究使之更為深入發展，也就是基因座內的排列及其相互作用的法則，及在同一基因座上，獨立發生的突變之相互關係。

對曝露在放射線下個體的放射線晚期效果，也就是於對壽命縮短及促進老化的研究，則由Muller與其夥伴W. Ostertag等攜手進行。結果證實，因為放射線使染色體受到傷害，使形成身體的分裂細胞之染色體喪失，而導致這樣的結果，在自然老化則找不到由這些原因引起的證據。

Muller與學生們，尤其是Margaret Lieb和S. L. Campbel合作的研究，則是以優生和其相關課題為主。大部分突變遺傳基因為incompletely recessive，在heterozygous狀態下受自然選擇，在與dosage compensa- tion有關的優生研究中，得知自然選擇是非常精密的作用，傾向形成homozyg- ous之正常狀態。集團的大部分遺傳變化，是因為有害的遺傳因子反覆發生所引起。隨時發生的有害遺傳因子由自然選擇去除，以保持一種動物的平衡，因去除而發生的犧牲成為集團的「load」。這「load」是以采采蠅和人去推定。

Muller的其他研究還包括自然突變與放射線引起突變的頻度計算，及自然選擇之影響計算。計算的一種是關於變異頻度的變化之影響，另外一種是自然選擇的壓力，也就是「load」。為了避免人類遺傳的惡化，及人類技術與文明各領域之進步所需的遺傳提昇，實行優生學顯然有其必要性。近代的生殖技術與傳統觀念的改變，使性細胞銀行成為事實，人類為了傳宗接代，已經可以自由選擇所企望的性細胞。這個方法是推動人類進化，實際而又不必擔心被濫用的解決辦法。

Muller在生物學會的科學雜誌發表了300篇以上的論文，他的主要著作有—與T. H. Morgan等人合著的「孟德爾遺傳的機制」，「由黑暗解脫—生物學家的未來像」及與C.C Little和L. H. Snyder等合著之「遺傳學、醫學、人類」等等。

1948年，Muller擔任第八屆遺傳學會會長。1956至1958年，擔任美國人類協會會長。1963年，美國人類學會選舉Muller為當年人類代表。1964年6月，Muller由印第安納大學退休，在加州Duarte ，Hope city高等醫學研究所就職一年。

他的理學博士學位來自愛丁堡大學（1940）、哥倫比亞大學（1949）及芝加哥大學（1959），榮譽醫學博士則由Jefferson Medical College頒贈，又獲頒美國科學振興學會當年獎（1927），古巴遺傳學獎（1955），及Darwin- Wallace紀念章。Muller在1945年，已是Pilgrim（Royal Society）、和Cornell University的演講者。他也擔任美國、英國、蘇格蘭、瑞典、丹麥、德國、日本、義大利等各國各種學會的名譽會員或客座員。

Muller與第一任夫人Jessie M. Jacobs於1923年結婚，育一子David Eugene。1939年他與Dorothea Kantorowicz再婚，育有一女Helen Juliette（2，3）。

基因通常是穩定的，但也可能發生改變，基因一但發生突變， 便依照經改變後的形式複製，將新的遺傳性狀傳遞給後代， 而Muller用人工的方法改變了生物的遺傳。

 

Hermann Joseph Muller的研究

A.ClB technique— Detection systems for genes on the x-chromosome

1. ClB technique使用normal X chromosome和ClB chromosome之female heterozygous 。ClB chromosome具有3種基因：

  1. C，為一段long inversion，抑制female heterozygous中normal X chromosome和ClB chromosome的recombination。

  2. l，homozygous female和hemizygous male無法存活。

  3. B，造成bar eye phenotype，為partially dominant，使ClB chromosome female heterozygous容易辨別。

2. Muller以經放射線照射的male flies cross ClB female，其子代female均帶有ClB chromosome及irradiated X chromosome。

3. 將bar-eyed daughters分別cross wild type males。

  1. 若bar-eyed daughter所攜帶的irradiated X chromosome為X-linked lethal，則子代均為female—hemizygous male for ClB chromosome因l gene，而hemizygous male for irradiated X chromosome因induced recessive lethal無法存活。

  2. 若bar-eyed daughter所攜帶的irradiated X chromosome 不 具有 lethal mutation，則其子代female和male比例為2：1（只有hemizygous male for ClB chromosome死亡）。

4. 利用ClB technique，以子代male的出現與否，可以輕易的測試經放射線照射後， induced recessive、X-linked lethal的發生。經由ClB technique的步驟， Muller證實了以X-ray照射male flies，12. 造成X-linked lethal發生頻率增加了150倍 （4）。

Muller's Graph

 

B.突變的定義

1.廣義的定義： 指遺傳物質改變引起的變化(外表型可能改變可能不改變)。

2.分子生物學的定義 ：DNA鹼基序列改變引起的變化。

C.突變的意義

對生物體而言，大部份的突變是有害的，基因突變造成不正常的蛋白質。但突變有時可以改進基因，反而使生物體能活得更好，增加適應環境能力。因此突變帶來演化的發生。

D.突變的產生

自然突變產生的原因

1.DNA複製機制發生錯誤： DNA複製雖然忠實，嚴謹，但非完美無缺，可能在新複製的一股DNA內有錯誤的鹼基存在，造成突變。

2.鹼基發生異構轉移(tautomeric shift)再經DNA複製 ：DNA的鹼基因氫原子的移動會自動發生異構轉移，由一種型變成另一種型。T與G可由酮型(ketoo form ,=O)轉變成烯醇型(enol form ,-OH)，結果分別能和G與T配對。A與C可由amino form ,-NH2轉變成imino form,-NH，結果分別能與C及A配對。假設原來鹼基對是AT，其中A 經異構轉移變成亞氨型，經DNA複製變成與Ｃ配對，以後DNA再複製，C又與G配對使得原來的AT配對變成GC配對造成轉換突變(transition mutation)。

3.鹼基自動插入或缺失會造成框架轉移突變(frameshift mutation) 4.某些鹼基自動發生去氨作用(deamination) ：再經DNA複製產生轉換突變，如C去氨後變成U。以後DNA複製，U能與A配對，再經DNA複製產生AT配對。DNA分子中出現U並不一定產生突變，因為細胞中有一種脢Uracil-DNA-glycosidase，能辨認外來的鹼基將其切除，留下一個缺鹼基的位置，細胞內的修補能力，會再補上一個C，恢復原來的GC配對。

誘導突變的發現

利用突變劑(mutagen)做人工誘導突變，最早是1927,H.J.Muller以x ray照射果蠅而得到突變(mutants)，獲得諾貝爾獎。

E.突變劑的種類

1.輻射線(radiation) a.離子化輻射線(ionizing radiation)：包括：x ray、gamma ray、宇宙線、鐳、或鈷60放出的粒子，2. 原子爐產生的質子，3. 快速中子，4. 這些輻射線的穿透性很強，5. 打在組織會使分子失去電子而6. 變成離子化，7. 這些輻射線本身或是它所誘導產生的次級電子都可能造成DNA斷裂而8. 產生突變。 *輻射線的單位為何？ 倫琴roentgen(r)：計算單位體積產生的離子數目。 1r=產生約一對9. 離子/μm3(在水或組織中) 另外一個常用的單位：1rad=1克物質吸收100爾格能所產生的輻射量。 *輻射線的特性

（1）a.r越大誘導突變的機率越大，10. 二者呈直線相。但劑量如果過高會造成死亡。X光劑量與11. 突變數成正比，12. 但X光劑量再提高，13. 突變數不14. 再增加，15. 因劑量本身會降低果蠅的存活率。

圖1 果蠅經不同劑量X光照射與誘導性連突變的關係

（2）輻射線引起的突變具有累積性，當總量相等時一般生物長時間低劑量與短時間高劑量引起的突變相等但在老鼠或其它的哺乳類長時間低劑量所引起的突變小於短時間高劑量引起的突變。原因是DNA有修補(repair)的能力，低劑量引起的傷害細胞可能有能力將它們修補。

（3）輻射線引起的傷害隨細胞週期的不同而不同，不般正在分裂的細胞所受的傷害比不分裂的細胞大。

（4）輻射線+氧+高溫 會使突變率增加。

II.非離子化輻射線(nonionizing radiation)

紫外線(ultraviolet light)能量較低穿透性不強，通常只能使單細胞或組織的表面細胞產生突變。UV無法引起分子的離子化

*UV能量低為何能引起突變？

DNA分子的最大吸光波長是260nm，此波長是屬Uv light的範圍。DNA鹼基中以嘧啶對UV的吸收最強，DNA序列中若有嘧啶與嘧啶相連接的地方，經照射後，二者間會產生共價鍵而形成嘧啶二聚體(oyrimidine dimer)的構造改變，干擾DNA複製造成細胞的突變或死亡。

圖2 Thymine dimer
 

2.化學誘變劑(chemical mutagens) ：以化學物質如烷化物(alkylating a- gents)、鹼基類似物(base analogue)、中間插入劑(intercalating agents)、去氨劑(deaminating agents)、羥化物(hydroxyl agent)等使DNA序列發生改變（5）。

 

參考文獻

  1. http://www.ntttc.edu.tw/sccenter/natural/生物學家/諾貝爾生理醫學獎得主簡介/諾貝爾生理醫學獎得主生平簡介.htm

  2. 諾貝爾獎生理學．醫學（1901-1950），3. 橘井文化事業有限公司，4. 民國79年11月初版，5. p377-385

  3. http://www.nobel.se/medicine/laureates/1946/muller-bio.html

  4. http://www.irn.pdx.edu/~newmanl/ChapterOutlines/Chapter07.html

  5. http://pck.bio.ncue.edu.tw/pckweb/database/data2/ck/ch08/supply/y49.htm

本網頁內容由 生科系 李奕欣同學提供