为什么鸟能长出翅膀在天空飞翔，而人却没有翅膀只能在地上行走？

为什么有的果蝇没有触角，有的则在长触角的部位生长出一对前肢？

为什么有的人生下来不是有眼无珠，就是缺胳膊少腿？

所有这些，都与神奇的“同源异形盒基因”（homeobox gene）有关。

同源异形盒基因是在1984年被发现的，科学家们将这一发现誉之为“生物学中的一个划时代的里程碑”。1995年9月9日，瑞典皇家科学院宣布，将1995年诺贝尔医学奖授予三位在同源异形盒基因研究中做出突出贡献的科学家，他们是 :美国加利福尼亚理工学院的爱德华 · 刘易斯，美国普林顿大学的埃里克 · 维绍斯，德国马克斯 · 普莱克发育生物研究所的女科学家克里斯蒂安 · 尼斯莱因 · 福尔哈德。

一、引人注目的果蝇遗传学研究

著名遗传学家摩尔根认为，在生物的染色体内存在着遗传因子，多数的遗传因子按染色体数分成组。在相同的染色体中，含有的几个遗传因子所具有的遗传性状和性质是相互无关的。摩尔根用果蝇实验证实了这些想法。

果蝇出生2周后就可以繁殖出小果蝇，由于杂种代别是把几代重叠在一起，而果蝇的繁殖不要太长的时间。又因它们的染色体数只有8个，比例数较少，所以果蝇是遗传学研究中的一种很好的实验材料。从摩尔根于本世纪初开始研究果蝇的遗传规律至今已有80余年的历史，在细胞和分子水平上都积累了大量关于果蝇遗传学资料。1927年，摩尔根的学生美国遗传学家缪勒用大剂量X射线照射果蝇或其生殖细胞，由此得到的果蝇后代有各种各样的变异个体。其变异速率比自然变异速率高出10000倍以上！在这些变异的个体中，有的有不同形状和颜色的眼睛。它们的体毛有的卷曲，有的竖起，有的分叉。翅膀的形状、大小和数目也不相同。有的甚至没有眼睛、体毛和翅膀。有的灵活好动，有的呆笨懒惰。有的是“短命鬼”，也有的是“老寿星总计有数百种奇形怪状的变异个体。这些变种的许多性状可以同样用X射线照射的方法重复得到。例如，可以将体毛分叉的变成不分叉的等等。缪勒的工作说明，用人工诱变的方法可以获得突变的物种，其变异速率比自然变异高得多，人工突变种的性状可以遗传给它们的后代。由于上述重大成果，缪勒于1946年获得了诺贝尔医学奖。

随着对果蝇研究的不断深入，在果蝇的包含5000~10000基因的较小的基因组中，已经鉴定出1000多个基因。其中，有数百个基因是负责“管理家务的”，用术语说，它们为果蝇细胞每天所需要的蛋白质编码。另100个左右的基因似乎不太重要，其功能是支配果蝇眼睛颜色和每只足上生毛的准确数量。其余的基因最为重要，它们控制胚胎的组织。这些被称为发育基因的少数基因易于发生变异，上述用X射线照射果蝇后产生许多突变的后代就是因为发育基因产生了变异。

二、刘易斯的重大发现

为了弄清生物的体型结构与基因之间的关系，刘易斯进行了几十年的研究，证实生物体从一单个的受精细胞开始，要发展成为含有数以亿计的特化细胞的躯体，生物体内所有的细胞都含有一套完全相同的基因。但是，有些会变成骨骼的一部分，有些会变为抵抗疾病的抗体，而另一些则会长出毛发。真正令人惊奇的是，尽管生物界异常地多变，基因都是奇怪地相似。以至于从蝇、到蛙到人的动物都拥有几乎相同的一套基因。这套基因行使一个主控制功能，去引导动物的生长发育过程。

由于某种原因，在胚胎生长过程中，只有特定细胞中的一些基因是有效的，而其它基因则永久地关闭。正像开关各种灯可以造成许多影像的电子广告牌一样，每个细胞中的各种基因的开和关造成了细胞的特别功能。例如，产生眼球晶状体蛋白的基因，只是在形成眼睛的细胞中才有活性；而创造脚趾甲蛋白的基因，即使它们都出现于同一个细胞中，却不会被表达。

这些基因数量不多，但具有善变的特性。由于它们的突变，使生物体的某些部分长错地方。例如，控制果蝇长触角的基因发生突变，果蝇的前肢就可能长到应该生触角的部位上去。这就是一种器官取代另一种器官的例子。若控制胸部基因发生了突变，则胸部第3体节变成为长翅膀的第2体节，结果使本来应长2支翅膀的果蝇却生出4支翅膀。这种控制生物的体型结构的基因，被刘易斯称之为“同源异形盒基因”。

刘易斯提出一个十分重要的理论：果蝇的同源异形盒基因是从一种简单得多的千足虫样的祖先的单个基因进化而来的。他说，原来的同源异形盒基因是照管果蝇祖先的模式形成，即身体各部分的排列的。在原来的同源异形盒基因附近，经过拼接而成的这一基因的复制品发生突变，并把复杂的诸层添加到果蝇的进化形式中去。

刘易斯的理论具有很大的吸引力。首先，它解释了不起眼的遗传改变在几百万年的过程中是怎样导致产生十分不同的身体形式的。发育基因（即同源异形盒基因）指导一种生物的形成，它的变化引起身体形式的改变，自然选择则决定哪些改变保留下来。

根据刘易斯的理论，同源异形盒基因突变在进化生物学上意义重大。无论果蝇或鼠的同源异形盒基因变异的出现，许多都非偶然，只不过按进化上曾存在过的发育途径发生而已。同源异形盒基因突变而改变发育过程的后果，并不像表面看来那样是破坏性的，而是代表进化上祖先类型的特征。控制发育的基因的变化为使新物种变得更加复杂打开了道路。开始时，可以从控制某一性状（例如形成足）的一个基因着手。如果复制这一基因，那么这种复制品将可控制某些其他性状，例如不使足在身体的某些节段生长。通过这种方法，可以创造出更为复杂的形式。例如长触角基因的一种突变引起触角被足所取代的事实表明，控制触角或诸基因由于某种原因而未参加控制足。

刘易斯的理论也涉及到美学的和谐。如果研究一下无脊椎动物，那就有许多不同的身体形式，而这些形式肯定是多种多样的。但是在发育发生的方向上有某些基本的主调。

三、对同源异形盒基因的深入研究

耶鲁大学的分子生物学家威廉 · 麦金尼斯认为刘易斯的理论是绝妙的。他和同事们经过3个月的研究，证实5个同源异形盒基因序列中都含有一段由叫做碱基对的180个分子特殊排列组成的序列。他们将此序列称为同源异形盒（homeobox），意为同源异形盒基因内的盒子。在同源异形盒基因编码的诸蛋白质中，都有一段由同源异形盒决定的含有61个氨基酸的相似顺序，称为同源异形区（homeodomain）。

1975年，德国女科学家福尔哈德开始对基因突变的果蝇进行深入研究，试图弄清楚各种基因在形成生物有机体时的功能，80年代，她与美国科学家维绍斯在海得堡的欧洲分子实验室合作期间，经过大量试验，找到果蝇在幼虫形成期各种基因的各种功能。他们对2万多只突变的畸形果蝇进行研究，发现昆虫肢体形成的信号不是来自胚胎，而是来自母体，即每个果蝇的卵带有4种同源异形盒基因组，靠这4种物质，能造成同一种动物身体不同部分之间形态的差异。后来他们还发现，同源异形盒基因广泛地存在于各种后生动物中。但当时他们只将脊椎动物、节肢动物与线虫的同源异形盒基因组搞清楚。已知，脊椎动物有4个同源异形盒基因组，每个基因组含有9~11个基因，而节肢动物与线虫只有一个同源异形盒基因组。线虫同源异形盒基因组大部分都与其它动物相类似，不同的就是在其顺序中插入了2个基因。果蝇有8个同源异形盒基因，分为bithorax和Antennapedeia两大类。

在同源异形盒基因组中，同源异形盒基因成簇存在。人和鼠的38个同源异形盒基因分成4簇和13族。簇就是基因聚集在同一条染色体而言；族就是同源异形盒顺序相似程度而言，同族意味着同源和亲缘关系近。在进化中，由于发生“重复”（duplication），簇的数目和同簇成员增加。在整个基因组的重复确曾多次发生。鼠和人的4簇源于一个祖先簇的2次整簇重复。

同源异形盒基因编码同源异形盒蛋白，该蛋白具有一种在多细胞水平上起作用的特殊功能，它可将某一范围的细胞转变为独特模式的成分。例如，果蝇的同源异形盒基因在胚胎时决定小牙的模式，在成年时决定腿和触角的模式，脊椎动物同源异形盒基因使沿中心体轴的脊椎多样化，在四肢则影响指和趾的形成。此外，同源异形盒基因还与脑的进化有关。

福尔哈德和维绍斯认为，果蝇的生物模型与其他动物相似，从生物原理上讲，生物的有机体都是一样的。果蝇所以成为果蝇，而长不成蚊子或大象，完全是靠同源异形盒基因的排列。这项发现亦可用于人类研究，因为，人类同源异形盒基因组都含有与果蝇、线虫等相似的同源异形盒基因。动物的祖先是通过单个同源异形盒基因的串联复制而发展多样化，以致产生不同的动物，在脊椎动物的进化线路中，每到一处整个同源异形盒基因簇就复制若干次，这种复制使脊椎动物不断发展进化。同源异形盒基因能使脊椎动物创造出多种多样的新的身体模式，例如哺乳动物的听觉系统是从比较原始的、目前还存在于爬行动物中的颌骨进化而来的，这些骨骼成分便成为联系哺乳动物与爬行动物之间的媒介。又如哺乳动物部分头颅骨是从节肢动物的前体节进化形成的。恐龙的部分头颅骨为枕部椎骨所代替，鼠的特异性同源异形盒基因的异位表达在头颅区域产生枕部椎骨。随着同源异形盒基因表达模式逐渐向进化后期推移，就使哺乳动物头颅骨不断进化。

科学家们很早就认为，文昌鱼（一种很原始的脊索动物）是与脊椎动物亲缘关系最近的无脊椎动物，或者说脊椎动物的直接祖先是文昌鱼之类的脊索动物。可是文昌鱼无头也无真正的脑，脊椎动物的头如何起源，成了比较形态学的一大难题。近年发现，文昌鱼具有一个结构上像哺乳动物的同源异形盒基因簇。

脊椎动物同源异形盒基因簇数为多个，除七鳃鳗（最早脊椎动物现存后代）为3个。哺乳类、鸟类、两栖类和鱼类均为4个。4簇是在脊椎动物起源时从单个祖先簇由整簇重复而发生。就如今所知，与该假想祖先单簇最相似的莫过于文昌鱼的同源异形盒基因簇了。在文昌鱼和七鳃鳗的共祖出现之后，在脊椎动物出现之前，同源异形盒基因簇的整簇重复发生2次，以至簇数由玉钩虫和文昌鱼的1经七鳃鳗的3簇最后到鱼类和哺乳类等脊椎动物成为4簇。与整簇重复发生同期，同簇内某些基因重复和它们的趋异也发生，以致某些基因族扩大和一些新基因族出现。族数由像玉钩虫同源异形基因族那样的9族增加到像文昌鱼和七鳃鳗那样至少10族，最后到哺乳类那样共包括38同源异形盒基因的13族。

科学家们认为，在同源异形盒基因的研究中，最大的成果就是发现了同源异形盒。这一发现的重大意义表现在两个方面：第一，意味着刘易斯的理论是正确的。第二，在各种各样的物种均有功能十分相似的调节发育基因。

在1984年夏天，发表了三篇关于同源异形盒的重要论文。美国印第安那大学的斯科特的一篇刊登在《国家科学院院刊》中，半页文章上满是代表同源异形结构域中氨基酸排列的链环的缩写符号。麦金尼斯登在《细胞》杂志上的文章对南非爪蟾的同源异形盒作了描述。科罗拉多大学的分子生物学家艾伦 · 劳封和斯科特合写的文章刊在《自然》杂志上，他们介绍了同源异形结构域与DNA相结合的证据。

发现同源异形盒的报道发表后，遗传学家、分子生物学家和胚胎学家都把这一发现赞誉为“一种重大突破”，是“打开身体构形的万能遗传钥匙”。同源异形盒的巨大吸引力可以归纳为它存在于哺乳动物的同源异形盒基因之中，而且它们的同源异形盒的结构又非常相似。例如，来自南非爪蟾的一个同源异形区与来自果蝇长触角基因的同源异形区，在氨基酸排列上除了一个位置不同外，其余全部位置都是相同的。人类DNA中的2个同源异形区与果蝇的3个同源异形结构域有90%相似。如果说自然界是很少有计划的话，那么在各种各样的物种都保留着同源异形盒则是很不平常的。特别是昆虫和脊椎动物的共同祖先是生活在寒武纪，距今已有6亿多年。结论是十分显然的：同源异形盒在许多物种的发育过程中具有相似的功能。

近10年来，科学家们对同源异形盒基因进行了大量深入研究，对其在进化过程中的作用有以下几点认识：

1. 同源异形盒蛋白在进化中可不断获得新的活性，例如果蝇同源异形盒蛋白不同的剪接变异株可以有不同的功能。相同的同源异形盒蛋白在不同种族的动物中可产生完全不同的身体模式。

2. 同源异形盒基因表达的变化可在进化中有效地形成新的身体模式。例如，脊椎动物中鸡与鼠的椎骨数相同，但它们的颈椎、胸椎和腰骶椎的界限出现在不同水平上。鸡的14个椎骨都是颈椎形态，而鼠仅前7个椎骨是颈椎形态。这是因为鸡与鼠中同源异形盒基因结构域与颈椎、胸椎、腰觝椎的结构域恰好精确地相对应，说明脊椎动物的形态取决于进化期间同源异形盒基因的活性及其表达的变化。

3. 同源异形盒基因的下游基因的调控区会与完全不同的同源异形盒基因相连结，从而产生如翅膀与幅肋感觉器的差异。此外，同源异形盒基因的下游基因还会获得新的活性，从而造成相关功能的组织器官的差异。如在感觉器官方面，线虫生成幅肋感觉器，而苍蝇长出感觉毛。

4. 同源异形盒基因不仅控制生物的个体发育，而且还在成年动物细胞分化中起调节作用。多种基因在细胞中配合表达，最终可决定细胞分化的途径和类型，不同的同源异形盒基因功能不同，有的决定分化途径和类型，有的与细胞增殖有关，有的与肢体再生有关。人结构细胞系分化以及肌肉生成时均有同源异形盒基因表达。可见，同源异形盒基因不仅是体节形成的发育基因，而在生长、分化及再生中扮演重要角色。无论是高等动物还是昆虫，无论是胚胎还是成年动物的特异组织，同源异形盒基因的表达均出现阶段和位置特异性。同一基因在不同发育阶段表达产物不同，同一阶段的不同组织表达的产物亦不同。同源异形盒基因表达调控异常会引起病理改变，造血细胞系转化为白血病时同源异形盒基因发生重排，有外源病毒DNA的整合。人消化道的肠上皮细胞癌的发生，可能是同源异形盒基因的转化，提示同源异形盒基因的表达失调在肿瘤生成中的作用。

自从1984年第一篇关于同源异形盒基因的论文发表后，引出了“同源异形盒基因热”。《自然》杂志把同源异形盒基因称为相当于生物学上的罗塞达碑（罗塞达碑是在1799年发现的埃及古石碑，为译解古埃及象形文字提供了钥匙）。近几年来，科学家们正在将同源异形盒的克隆作为工作重点，深入研究同源异形盒基因，并有许多新的发现。在人类DNA中，至少已发现了6个同源异形盒；在小鼠的DNA中已发现12个。同源异形盒基因在人类胚胎还不足10星期的时间里是活跃的。欧洲和美国的生物学家用放射性探测技术观察到了同源异形盒基因在受精8天后的小家鼠早期胚胎中开启。虽然人类也有与果蝇或鸟类一样的、调控飞翔器产生的基因元件，但是造物主并没有使人类在进化中保_其祖先的这一形态结构。不过，人类现在已经知道从哪里开始着手了，因为设计新的身体构造就是在同源异形盒基因的调控下进行的！面对同源异形盒基因研究的长足发展，科学家们自豪地宣称：人类已掌握打开身体构形的万能遗传钥匙，最终揭示胚胎进化奥秘的日子已经为期不远。