德国“国宝”： 唯一一位女性诺贝尔科学奖得主-ag凯发真人

►christianenüsslein volhard（1942年10月20日出生）

撰文 | 刘海坤

责编 | 李    娟

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2018年2月1日，我收到一封来自欧洲分子生物学组织（embo）现任主席maria leptin 的邀请信，邀请海德堡获得欧洲研究理事会（欧洲十年前建立的重要基金组织）研究基金的人出席晚宴，欢迎欧洲研究理事会主席率团3月1日访问海德堡。信里特别注明的一行信息引起了我的注意: “我们很荣幸的宣布，christiane（janni） nüsslein-volhard（克里斯蒂亚娜•纽斯林－福哈德）教授已经同意做晚宴报告。”

平常阅读文献和科学史料，我对纽斯林－福哈德的研究领域非常有兴趣，她本人是诺贝尔奖获得者，我个人认为她的研究影响远大于大多数诺贝尔生理学或医学奖获得者。我之前有机会听过她的几次报告，但于大多数科学家而言，能在晚宴上听她做报告有着巨大的吸引力。

晚宴举办地是卡尔王子宫酒店（prinz-carl-palais），是曾经来海德堡访问的历史名流（歌德，马克•吐温，俾斯麦，茜茜公主等）的聚餐地。当晚，最亮眼的明星无疑是年近76岁的纽斯林－福哈德，她将近一小时漂亮而深刻的科学报告几乎让人忘记享用美食。可贵的是，她的报告思路清晰，工作原创性十足，她一直列席晚宴至深夜而不见疲态。在报告开场白中，她道明了为何接受邀请，因为去年有幸拿到了erc研究基金的支持，得以继续维持自己在马普图宾根发育生物学研究所的研究组，而这之前她本来已经不得不退休。

►纽斯林－福哈德在做晚宴报告

报告开场，embo 主席maria leptin简短回顾了被视为德国国宝的纽斯林－福哈德的研究生涯……

纽斯林－福哈德1942年10月20日出生于二战中的德国，在父母五个孩子里排行老二。父亲是建筑师，母亲擅长艺术，祖父是法兰克福医学教授。纽斯林－福哈德在法兰克福南部长大，家里有一个大花园，附近就是森林。

战后的德国物质匮乏，纽斯林－福哈德的父母十分能干，他们给孩子们手工制作了很多玩具和书籍，也教会孩子自己缝制衣服。她的父母对于孩子们的事情时常表现出很大的兴趣。她还记得和父亲讨论歌德的学术论文，对她的发展有着积极影响。父母都擅长音乐和绘画，这也影响了她的兄弟姐妹，他们后来的工作很多都和音乐艺术相关。而纽斯林－福哈德对居住于海德堡的外婆（lies haas-möllmann）印象尤其深刻，因为外婆是一位非常有天分的画家，对纽斯林－福哈德也有很大影响。不过亲近大自然的她从小喜欢生物学，自称12 岁就决定成为生物学家。之后她也是家里唯一的科学家。

纽斯林－福哈德的中学成绩一般，对学业不甚上心，经常不完成家庭作业，其自我评价为懒惰。她的高中老师在毕业评语中写道：“纽斯林－福哈德的天赋不错，但她的表现完全取决于兴趣。对不感兴趣的学科，她表现出经年累月的懒惰；对感兴趣的学科，她的表现远远超出了学校的要求标准。总的来说，她的天赋高于平均，有强的批判性思考和判断能力，并且有独立从事科学工作的才华。”这种评价对她来说可以接受，而且事后看来竟非常准确。（另外一个有名的中学老师评价诺贝尔奖得主学生的例子是2012年诺贝尔奖获得者约翰•戈登，曾被中学生物学老师认为其不可能成为科学家）。总体表现一般的她，一直对生物学有着极大兴趣，阅读了大量关于动物发育和行为的书籍，中学毕业报告的题目是《动物的语言》。

中学毕业后，纽斯林－福哈德进入法兰克福大学修生物系、化学系和物理系的课，但她马上发现自己并不喜欢大学的课程。1964年夏天，图宾根大学开设了当时德国唯一的生物化学讲座系列，纽斯林－福哈德赴图宾根参加了这项课程，接受了全面的生物化学训练。那是德国最早涉及分子生物学的课程。

自1953年沃森和克里克发表dna双螺旋结构以后，分子生物学进入快速发展期，1960-70年代，正是中心法则被不断完善和广泛接受的时代。以heinz schaller（1932-2010）为首的科学家，在德国较早开设了分子生物学课程。纽斯林－福哈德感受到分子生物学的魅力，决定跟随heinz schaller做博士研究。

 heinz schaller是分子生物学和病毒学（特别是乙肝病毒）研究领域的权威，曾获得病毒学领域最高奖项罗伯特·科赫奖（robert kochprize）。他发现了乙肝病毒复制机理，参与测定乙肝病毒序列，是乙肝疫苗研发得以实现的关键科学家。他最早在图宾根教授分子生物学，之后和herman bujard （tet on/off 系统发明人）在海德堡大学建立了德国第一个分子生物学中心（zmbh）。之后欧洲分子生物学实验室（embl）选址海德堡也与此有关。

heinz schaller育人有方，培养的学生里有像纽斯林－福哈德一样的诺贝尔奖获得者，也有罗伯特·科赫奖和拉斯克奖（lasker prize） 获得者、海德堡大学和德国癌症研究中心教授、治愈丙肝病毒感染的ralf bartenschlager, 还有克隆了生长激素基因和很多神经递质及受体基因的神经科学家、海德堡马普分子医学所长peter seeburg（1944-2017）。另外，heinz schaller注重临床转化研究，是著名医药公司biogen的共同创始人。他身家颇丰，但与夫人、神经科学家chica schaller决定，将钱悉数捐出，成立了以他们名字命名的基金会，专注于支持青年科学家的发展。笔者有幸获得该基金会的2014年青年科学家奖。

师从heinz schaller是纽斯林－福哈德职业生涯重要的一步。她是heinz schaller的第一位博士生。她回忆说，heinz schaller更像化学家，非常注重实验中定量及完成反应。她的博士论文是现在实验室常用的分子生物学实验：纯化rna聚合酶并确定其在dna上的结合位点，继而研究基因启动子的结构。这项工作在《自然》杂志发表。

不过，这篇论文中，纽斯林－福哈德是第二作者。多年后接受《纽约时报》记者采访时，她说这与当时学术界女性地位相对较低有关，虽然论文的大部分工作由她完成，但导师劝说的理由是另外一位男同事因职业发展更需要文章。尽管之前欧洲出现过玛丽·居里、emmy noether等卓越的女性科学家, 但在1970-80年代，女性的科学地位依然很低，被认为不适合从事科学研究。当时西德大学教授席位里女性的比例低于5%，大学生女性数量约30%，低于东德。

那时候，重组dna技术刚刚兴起，但纽斯林－福哈德和很多同事对该领域的发展有所疑虑。heinz schaller的另一个学生peter seeburg则非常看好该领域并投身其中，以其独特风格成为基因泰克公司和神经科学界的风云人物。纽斯林－福哈德的兴趣还是在生物学本身，而非方法上偏重化学反应的分子生物学。

 当时，图宾根刚刚建立了fml研究所（friedrich-miescher-laboratory），其中alfred gierer的实验室以再生能力极强的水螅为模型研究发育，并提出了非常有趣的“发育因子梯度调控发育”的理论。纽斯林－福哈德觉得这非常有意思，开始大量阅读发育生物学的相关文献和书籍。

发育生物学源远流长，是生物学的基本柱石学科。生物是如何由一个单细胞严格有序地发育出互相协调的器官、并组成具有复杂行为的个体是生物学研究的终极问题。发育异常也是人类疾病的成因之一。该学科的发展历史波澜壮阔，并衍生出了后来热门的信号传导、表观遗传学和干细胞生物学。（具体相关中文扩展阅读可以参看饶毅写的《胚胎诱导》和拙文《》）

 发育生物学史上的一次高峰，是hans spemann为首的德国科学家的胚胎诱导实验提出的“组织者效应”。德国有着雄厚的研究发育生物学的学术传统，当时分子生物学的研究工具开始逐渐健全，二者交叉是必然趋势。纽斯林－福哈德在阅读发育生物学文献的时候，被同在fml的friederich bonhoeffer的一项工作吸引：以大肠杆菌为模型，通过大规模的遗传筛选，寻找调控基因复制的重要因子。纽斯林－福哈德意识到了遗传筛选的巨大潜力，开始寻找可以研究发育遗传的动物模型。很快，她找到了果蝇。

果蝇做为遗传模型被托马斯·摩尔根(1866-1945，1933年诺贝尔奖得主)及其子弟发扬光大，但摩尔根学派以分析成年果蝇为主。欧洲当时用果蝇来做发育的权威当属瑞士巴塞尔的walter gehring（1939-2014），他的重要贡献是克隆和命名重要体节调控基因同源框基因（homobox），被纽斯林－福哈德和eric wieschaus称为过去40年里最有影响力的发育生物学家之一。

1972年，walter gehring在巴塞尔建立了欧洲第一个果蝇基因文库。1973年，纽斯林－福哈德在弗赖堡的会议上遇到walter gehring，鼓足勇气和他讨论关于果蝇发育双尾突变体（bicaudal，胚胎表型为无头，两端互成镜像的尾端结构）的问题，并询问了去巴塞尔做博士后研究的可能性。1975年，纽斯林－福哈德拿到embo的长期博士后研究奖学金项目，来到了巴塞尔。

巴塞尔那段时光对于纽斯林－福哈德来说非常令人难忘，她终于可以做自己梦想的研究，那是她第一次国际研究经历。walter gehring的实验室聚集了很多慕名而来的国际学者，包括纽斯林－福哈德的长期ag凯发真人的合作伙伴、同获诺贝尔奖的eric wieschaus（艾瑞克·魏肖斯）。

魏肖斯是土生土长的美国人，曾师从耶鲁大学果蝇遗传学者donald poulson。不同于摩尔根学派的成年果蝇表型分析，donald poulson另辟蹊径地描述了果蝇胚胎的发育过程，并最早鉴定出胚胎表型异常的果蝇突变体（notch）。魏肖斯在耶鲁大学接受了顶尖的果蝇胚胎发育的基本训练。博士第二年时，他为了躲兵役而到达瑞士，跟随walter gehring从耶鲁到巴塞尔，强化了果蝇胚胎发育研究的训练。

纽斯林－福哈德到达巴塞尔时，魏肖斯还有两个月毕业。勤学好问的纽斯林－福哈德如饥似渴地向魏肖斯及其他同事学习果蝇胚胎技术，结下了深厚的友谊。魏肖斯离开巴塞尔之后在苏黎世做博士后研究，继续研究果蝇的发育，同时保持和walter gehring实验室的合作。

 纽斯林－福哈德的博士后研究生涯还算顺利，她没有过多介入实验室的主流基因克隆工作，而是对经典的果蝇双尾突变体bicaudal进行了深入分析。她勇敢尝试了一次小规模的遗传突变体筛选，试图获得类似bicaudal突变表型的果蝇。该工作的工作量大，表型复杂，最后找到了产生类似双尾突变体表型的一个新突变（dorsal）。她后来表示，bicaudal基因是她尝试过的最难做的基因。主要是因为该突变体表型复杂，作为遗传筛选的目标比较有挑战。这项研究经历为她之后研究更容易分析的突变表型打下基础。而且，她优化了快速收集果蝇胚胎和胚胎透明化技术，对于日后开展大规模的遗传筛选是非常实用的。值得一提的是，walter gehring当时也被认为曾质疑女性的科研能力，不知道是否对纽斯林－福哈德的职业发展有所影响。

同一时期，欧洲生物学界发生了一件大事。1971年，经过双螺旋之父詹姆斯·沃森与弗朗西斯·克里克、sydney brenner及john kendrew等科学家长期不懈地努力，欧洲主要大国最终同意在海德堡建立欧洲分子生物学实验室（embl），并由1962年诺贝尔化学奖得主john kendrew出任第一届主任。embl主要关注分子生物学新技术和新工具的研发及其在欧洲的普及，这个定位到现在对embl的发展仍有影响。

1977年，纽斯林－福哈德结束博士后研究之后，曾试图申请embl研究组长的工作，遭到拒绝，理由是不具备负责整个研究组运作的能力。陷于职业生涯困境的她不得不去弗莱堡继续做了一年博士后研究，仍然是研究果蝇发育。

1978年，john kendrew通知纽斯林－福哈德和魏肖斯，邀请他们到embl共同运作独立研究组。两位都很开心地接受了这个工作。但没人透露过embl决定招募两人到海德堡工作的决策过程和原因。兴致满满地来到位于海德堡王座山上的embl，等待他们的是一间非常小的共用办公室以及共有的技术员。于是，原本计划独立开展研究的二人决定开始同一个课题，即通过遗传筛选寻找调控果蝇发育的关键基因。

 二十世纪初，在hans spemann学派的胚胎诱导工作的基础上，发育生物学建立了胚胎发育的基本描述及可操作性。动物胚胎发育的共性表明整个发育过程是受严格调控的，但调控机制不明。hans spemann的老师theodor boveri 于1902年发现，如果染色体丢失会导致细胞分化能力受损，揭示遗传物质参与调控发育。

而spemann之后的发育生物学一方面纯化“组织者”失败，另一方面则陷入无共用模型的困境。学者们各自选择五花八门的动物用于胚胎发育的描述性研究。曾有发育生物学家提出有意思的发育理论假说，比如lewis wolpert的法国旗模型（the french flag model），认为决定胚胎基本模式的可能因素，是胚胎发育过程中分泌性的形态建成因子的不同浓度梯度。此假说为弗朗西斯·克里克所推崇。但是，此种形态建成因子的本质是什么？这与“组织者”一样令人无从下手，发育生物学陷入了集体的困境。

1965年，以有远见卓识著称的詹姆斯·沃森提出，是否可以开始用分子生物学的手段解决胚胎发育的问题。但除了上文提出的零星的几家实验室，没有人进行系统的尝试。之后，leland hartwell（1970）和paul nurse（1975）的酵母突变体遗传筛选研究取得了突破性进展，鉴定出了细胞周期的关键调控基因（获2001年诺贝尔奖），初步显示出遗传筛选技术在揭示生物现象基因调控机理方面的极大潜力。问题在于，该方法可否用于鉴定发育相关的调控基因？该使用什么动物模型来做？线虫还是果蝇？事实上，基因是否能够系统地控制发育进程这一问题也没有确定答案。而且，“模式生物”这个如今人人皆知的概念在当时是不受认可的。发育的表型复杂多变，开展这样的实验，超出了绝大多数人的理解能力，需要超出常人的勇气和能力，纽斯林－福哈德和魏肖斯在embl的遭遇验证了这一事实。

纽斯林－福哈德和魏肖斯顶着压力，选择果蝇胚胎作为模型，开展了大规模的遗传筛选工作。经过摩尔根之后半世纪的发展，果蝇作为遗传模型有其独特优势，只有四对主要染色体的果蝇基因定位非常简单。果蝇的饲养和繁殖也相对容易（北京大学饶毅教授在美国读书时曾经带着果蝇边旅行边做实验）。此外，edward lewis在1968年建立的化学试剂ems（甲基磺酸乙脂）诱导基因饱和突变方法已经非常成熟。凭借之前的研究经验，二人设计了简洁易辨的分析指标，用果蝇幼虫进行突变表型的分析。

果蝇的幼虫期发育很快，从受精卵开始2-3小时一个合胞体内经过13轮高度同步化的核分裂出现6000个细胞核（与一种神奇的真菌类似），然后会进一步经过一个细胞化（cellularization）过程转变成单个细胞并开始分化。本文提供的录像是embl的科学家用现代显微镜技术记录的果蝇细胞化完成后发育至幼虫的过程，如此复杂而有序，着实令人惊叹。果蝇幼虫在发育24小时就出现了复杂的分段结构，这些分段结构分别对应了胚胎发育的各个部分。“海德堡二人组”决定用胚胎表层的角质层显示的分段作为主要分析指标，辅以腹背及前后极性等容易分辨的表型，来判断一个基因突变是否影响发育。这些表型对于他们可谓得心应手。

设计得好，实验进展就比较顺利，二人（加上一个技术员）很快就建立起了将近两万七千个果蝇突变体自交系。当回顾那段时光，他们称最开心的就是坐在显微镜旁比赛谁先看到一个新的突变表型，据说二人有一个秘密的比赛结果的清单。让他们惊讶和欣喜的是，经过层层筛选，他们发现只有580个突变体出现了胚胎发育异常的状况，而这580个突变体对应了139个基因（因为饱和突变的策略）。整个筛选过程只有三年时间（中间又有博士后加入团队），期间他们也验证了已知造成发育异常的突变体，证明了筛选的有效性。通过进一步对突变体表型的聚类，可以把这些调控发育的基因分为几个大类，从而进一步建立了基因调控发育的基本范畴。1980年，二人在《自然》杂志发表了第一部分筛选结果，之后的结果也被陆续整理发表。二人称这次筛选为“海德堡筛选”，称这139个基因为“海德堡基因”。

►1980年“海德堡筛选”第一篇论文发表在《自然》杂志,图为同期杂志封面，中间为正常的果蝇胚胎，两侧为两个突变体。

看起来复杂有序的神奇胚胎发育过程可以被追根溯源到只有139个基因，笼罩在发育生物学领域的浓雾转眼散去，呈现出一个个闪闪发光的生物学金矿等待挖掘（比如这些现在生物医学界闪亮的名字notch, wnt, bmp, egf, hedgehog……）。纽斯林－福哈德对生物学问题长期不懈的追问得到了巨大的智力回馈，调控发育过程的基因之谜因此被揭开。

但是，这项可以入选生物学史上最经典实验之一的工作，并没有得到embl同事们的认可，让两人感觉到非常郁闷。二人在和沉迷于技术研发的同事交流时，往往感觉是在对牛弹琴。类似的情况在他们参加学术会议时也有发生，二人的墙报得到的大多是沉寂的反应。后来，纽斯林－福哈德非常骄傲地表示：这个实验在当时世界上只有他们两个才能完成！这样的成果在生命科学史上如果像突变那样消失，生命科学的发展会滞后成什么样子呢？

不过，之后学术界还是做出了正确的反应，成百上千家从事基因克隆的实验室开始克隆“海德堡基因”，而对于研究哺乳动物的人来说，最有效的方式就是克隆“海德堡基因”在小鼠里的同源基因。基因和发育的水乳交融让发育生物学进入前所未有的迅速发展期。之前的“组织者”及“形态建成因子”等神秘因子从基因水平上得到解密。后来，技术上更先进的遗传筛选并没有显著增加新的调控发育基因的数量，可以说“海德堡筛选”把调控发育的重要基因几乎一网打尽。

 进一步研究发现，很多“海德堡基因”也是细胞信号传导通路的主要介导者（如前文列出的notch, wnt, bmp, egf, hedgehog），信号传导很快成为热门领域。让“海德堡二人组”惊讶地是，很多基因后来被证明是参与癌症、神经系统疾病、遗传病等人类疾病发生的重要基因，有一些已经成为药物的重要靶点。此项研究的影响渗透力之强在生物史上凤毛麟角。

通过这项实验，学术界深深体会到了“模式生物”的巨大威力，果蝇作为遗传学的百年“模式生物”地位从此屹立不倒，这也导致了小鼠、线虫、拟南芥、斑马鱼等新的“模式生物”的出现。大规模遗传突变筛选成为了探索基因调控现象的强有力方法。这些后续的巨大影响远远超出了二人实验之初的预期。

不过，遗憾的是，有了大规模rnai和crispr工具后，基因组水平大规模筛选的论文绝大部分变成无人问津的数据论文，对推进科学发展的作用几乎可以忽略，科学问题选择的重要性可见一斑。另外，包括“海德堡二人组”在内的学术界黄金搭档（沃森和克里克，居里夫妇，joseph goldstein和michael brown，杨振宁和李政道）的例子，似乎也提示着有位可以促膝而谈的学术搭档是多么重要又幸运的事情。

►1979年, 纽斯林－福哈德和魏肖斯在embl(图片来自ann rev cell dev bio, 2016 32:1-46)

因为embl的环境不是非常理想，魏肖斯在论文发表之前，就在普林斯顿大学找到了教职并任职至今。虽然embl同意再给纽斯林－福哈德三年的工作合同，她并没有接受，而是去了博士研究时的城市图宾根，在马普从青年教授做至发育生物学研究所所长直到现在。

纽斯林－福哈德在职业生涯早期曾短暂结婚后离婚，没有孩子，纽斯林是前夫姓，福哈德是本姓。离婚后因已经用此名发表论文就保留至今。福哈德家族很大，她有30多个表亲，大多生活在法兰克福和海德堡附近。魏肖斯到普林斯顿后与在苏黎世遇到的果蝇发育学者trudi schüpbach结婚，育有三女。

1995年，纽斯林－福哈德、魏肖斯和edward lewis被授予诺贝尔奖。edward lewis研究的是果蝇双胸突变复合体，于1978年在《自然》发表的论文里提出了相关发育模型。有趣的是，1991年，有诺贝尔奖风向标之称的lasker奖只颁给了纽斯林－福哈德和edward lewis。

在科学巨星云集的诺贝尔奖大国德国的历史上，纽斯林－福哈德是至今唯一的女性诺贝尔科学奖获奖者。她的工作的重要价值再加上杰出女性科学家的稀缺，让没有很强诺贝尔奖情结的德国民众视其为德国的国宝。

令人丝毫不意外的是，对生物学有强烈兴趣而又想法独到的纽斯林－福哈德，并没有停留在“正常的”研究生涯，比如像魏肖斯一样继续分析果蝇发育基因、解析发育机理。在一片怀疑和嘲讽中，她在职业生涯后期又来了一次华丽转身：开始用斑马鱼做遗传筛选，研究无人问津的动物皮肤的图案。

在笔者参加的晚宴报告里，她提到自己的研究组从基本的细胞形态和分类做起，一步步做到了大规模遗传筛选及单细胞在体谱系的高精度示踪，最终提出了斑马鱼体表颜色图案形成的分子调控模型。该研究的原创性再一次让人叹服。

更让人惊叹的是，主持人maria leptin还提到，纽斯林－福哈德还是厨艺大师，除了出版科普书，还出版了一本做菜的书。到海德堡的前一天，她还刚刚开了一场音乐会。据说她的画也很不错。她还建立了一个私人基金会，专门支持有孩子的青年女科学家……

传奇还在继续时，我们可以暂且回头看看：纽斯林－福哈德的研究生涯由强烈好奇心驱动，在求知的征途上，她没有被时髦的科学分散注意力（分子生物学，基因克隆），也没有被发育生物学所处的困境吓倒，而是以古典英雄主义式的大规模筛选实验拯救了整个发育生物学领域。

德国科学家在发育生物学史上的地位变得无比辉煌，无人争锋。纽斯林－福哈德的研究工作是在当时的学术界对女性科研能力普遍歧视的环境下完成的。我们无需近距离了解她的个人性格，也可以感受到她强烈的魅力。我们甚至无需听她讲解生物学之魅力，因为那种强大而外显的探秘自然基本原理的驱动力，一直伴随着她与众不同的人生的每一个选择。

 在诺贝尔奖晚宴上，纽斯林－福哈德引用了德国文豪、大科学家歌德的诗句（出自诗歌die metamorphose der tiere，动物的变态），请允许我试作翻译，将其作为本文结尾：

注：1. tailless是纽斯林－福哈德和魏肖斯鉴定出的调控发育的139个基因之一，后来笔者实验室发现小鼠和人的同源基因调控脑瘤发育。

注：2 .诗句大意指所有的动物的发育及构成是遵循统一的内在规律的，而最罕有的动物形体上可以揭示这些原始的规律。诗句惊人的契合了纽斯林－福哈德用果蝇突变体的表型揭示动物发育规律的工作。

致谢：感谢北京大学饶毅对本文的反馈意见

参考资料

1.eric wieschaus1 and christiane nüsslein-volhard, the heidelberg screen for pattern mutants of drosophila: a personalaccount. ann rev cell dev bio, 2016 32:1-46

2.https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1995/nusslein-volhard-bio.html

3.http://www.nytimes.com/2006/07/04/science/04conv.html

4. eric wieschaus1 and christiane nüsslein-volhard. walter gehring(1939-2014). current biology 24:632

5.纽斯林－福哈德发表文章链接http://www.eb.tuebingen.mpg.de/research/emeriti/research-group-colour-pattern-formation/publications.html