來源 | 返樸
撰文 | 路飛

他從小就喜歡觀察昆蟲，尤其迷戀蝴蝶，全家上下為他制作捕捉昆蟲的網兜。長大之后，他輾轉四國求學，并發現了調控蝴蝶翅膀顏色的奧秘，相關論文發表在12月6日的Science上。

從本科到讀博，然后再做博士后，田申換過四個國家，先后在澳大利亞、日本、新加坡和美國的著名高校中學習、研究。唯一不變的，是他對蝴蝶的迷戀。

特別是蝴蝶翅膀的顏色，在陽光下可以折射出斑斕的光芒，從深沉的藍到熱烈的紅，從神秘的紫到耀眼的金，這些色彩，如同隱藏在翼翅間的秘語，訴說著生命的奧秘。這些顏色并非單純為了裝飾，它們是蝴蝶與環境交互的結果，是自然選擇的杰作，也是生物適應性的體現。

12月6日，新加坡國立大學博士后田申，以第一作者的身份在Science發表研究性論文，揭示了調控蝴蝶翅膀顏色的奧秘。

美東時間早上8點，《返樸》與田申進行了連線。打開攝像頭，對方露出了靦腆的笑容，他笑著說，“沒關系，我不緊張。”

田申丨圖源：本人提供

五年磨一劍

2019年8月，田申托著行李箱來到新加坡國立大學，自此擰緊了博士征程的發條。用他的話來說，“這五年從來不敢休息，直到我博士畢業，才和父母見面，且還是父母過來找我。”

食堂、宿舍、實驗室，是田申的三點一線。他在新加坡國立大學Antonia Monteiro實驗室的課題，聚焦在鱗翅目（蝴蝶與蛾）翅膀圖案多態性的遺傳、發育與進化機理。

在生物學中，多態性是指在多變的環境中，生物在同一自然種群中具有不同的形態，如英國樺尺蛾“工業黑化”的經典案例。

這個案例在高中生物課本上講過：英國工業革命之前，樺尺蛾大多為白色，以便與樹干上白色的地衣融為一體。工業革命之后，隨著污染的增加，煤煙殺死了地衣，熏黑了樹干，導致白色的樺尺蛾暴露在黑色的環境中而更容易被鳥捕食。此時，一種黑色的樺尺蛾在種群中出現。由于在被煤煙污染的環境中，黑色型更隱蔽、更不易被捕食者發現，在短短的幾十年時間里，它們迅速占領整個種群。

多態性的產生是由于DNA序列的改變，使同一基因座上產生多個等位基因，從而產生不同的表型。黑化后的樺尺蛾之所以能夠一代代遺傳下來，就涉及到了多態性。

除樺尺蛾之外，還有許多相隔1億年進化歷程的蝴蝶與蛾都存在類似的翅膀顏色多態性，例如枯葉蛺蝶的葉形擬態、家蠶的黑白色型等。

在鱗翅目翅膀圖案多態性的研究中，有一個進化熱點的基因組區域。

這個基因組區域圍繞一個叫“cortex”的蛋白質編碼基因。過去十多年，大量的全基因組關聯分析發現，在鱗翅目昆蟲1億年的進化歷程中，與黑色素相關的翅膀圖案多樣性的形成都與這個基因組區域脫不了關系。因此一直以來，科學家們認為cortex是此基因組區域中控制黑色素產生與否的關鍵基因。

然而，全基因組關聯分析只能通過統計學方法找到與不同翅膀顏色相關聯的基因組區域，但不能準確判斷其中哪個基因在控制顏色。

大量自相矛盾的證據讓人懷疑，cortex是否真的是控制黑色素形成的關鍵？比如敲除了cortex基因之后，只有10%左右的個體出現明顯差異。這啟發了田申，他開始測試該基因組區域中除cortex以外其他一些基因的功能，包括之前一直被忽略的非編碼基因miRNA——這到了田申的研究“舒適區”，“當我博士開始研究鱗翅目翅膀圖案的發育進化機理時，我就下意識地關注到在這個熱點基因組區域中，cortex這個基因旁邊其實就有miRNA，卻一直被人忽略。”

miRNA是小分子非編碼RNA，它們雖然不像大多數基因那樣編碼蛋白質，但它們通過抑制靶基因的表達在基因調控中發揮著重要作用。

在這項研究中，田申發現了一個緊鄰cortex基因的miRNA - mir-193。于是，他使用基因編輯工具CRISPR-Cas9在三種深度分化的蝴蝶中敲除了mir-193。研究發現，敲除mir-193 之后，非洲偏瞳蔽眼蝶（Bicyclus anynana）、東方菜粉蝶（Pieris canidia）和玉帶鳳蝶 （Papilio polytes）中黑色和深色的翅膀顏色消失了，只留下白色/淺色。

敲除mir-193前后蝴蝶顏色對比 丨圖源：論文

而敲除同一基因組區域中的包含cortex在內的其他四個蛋白質編碼基因，并不會影響翅膀顏色。對照實驗表明，mir-193才是鱗翅目昆蟲中控制黑色素翅膀顏色圖案多態性的關鍵，而非cortex或任何其他附近的蛋白質編碼基因。

由于mir-193不僅存在于在鱗翅目昆蟲，也存在于整個動物界包括人類，為了擴大研究結果的普適性，于是團隊聯合密歇根大學在非鱗翅目昆蟲——果蠅中測試了mir-193的功能。令人驚訝的是，在果蠅中mir-193也能控制黑色生成，這表明mir-193甚至能控制鱗翅目昆蟲之外生物的顏色。

“這項研究參與人員其實很多，我與Antonia Monteiro同實驗室的成員，以及日本東京大學程久美子實驗室（田申在此讀碩士）、藤原晴彥實驗室，以及美國密歇根大學Patricia Wittkopp實驗室都有合作。”

保衛蝴蝶，保衛文章

田申在講座丨圖源：本人提供

為什么說田申這五年一刻也不敢休息呢？

因為他要保衛蝴蝶，保衛文章。

2020年，實驗室的蝴蝶被真菌感染，陸續死了一批，導致很多研究只能擱置，寫了一半的文章停在那里。盡管實驗室進行了幾次衛生消毒，但是蝴蝶還是一批一批地死。幸運的是，田申的蝴蝶安然無恙，但是這群“小精靈”讓他整天提心吊膽。

于是他打算給蝴蝶“挪窩”，恰好一個印度裔的教授在同一樓層有一個空房間，田申請求對方借來一用。“多虧了他，我在文章的最后特地向這個教授表達了感謝。”

接下來，田申每天從宿舍出發，第一件事是“趁著自己還沒被污染”，先到這個借來的房間處理相關實驗；處理完畢之后，再回到自己的實驗室完成其他事項。晚上回到住地，第一件事就是把自己“洗干凈”，避免第二天污染蝴蝶。

放假期間，田申成了實驗室的“留守實驗員”，兼顧著幫忙照料同門的實驗蝴蝶。所幸在他的看護下，這些蝴蝶都存活了下來。

當田申在新加坡進行緊鑼密鼓的實驗時，美國兩支研究蝴蝶的團隊也在同樣的研究領域取得了重大突破。他們在同一個熱點基因組區域發現長鏈非編碼RNA“ivory”也能調控黑色素生成。

“學界的氛圍還是比較包容開放的，當我們得知對方也在研究的時候，三個實驗室約定今年2月份同時發了一版預印本。他們這兩篇文章分別在8月和10月發表在PNAS（美國科學院院刊）上，我還去祝賀了一波。”田申自信地說，“但是我確定我們的工作更加詳盡完善。”

后續田申研究發現ivory其實是mir-193的前體，這里還有一個有趣的插曲。當時田申既想補充一項額外的實驗充分證明“ivory是mir-193的前體”，又想盡快把這篇文章先發出去，拿不定主意，就去找導師商量，最終決定先投期刊，然后用第一輪審稿的時間完成補充實驗。

“我認為我補的實驗對于支持某個結論非常重要，所以就算審稿人沒有提出，我也希望在后續審稿的過程中把這個結果加上，因為我喜歡做自己文章的審稿人，我希望我的作品滴水不漏。”

果然第一輪審稿結束之后，三個審稿人對這項成果都給予了高度評價。其中有一個審稿人提出希望補充一項實驗，直接證明mir-193的前體是ivory，如此整個證據鏈就會更完整。

其實在此之前，田申已經做完了補充實驗，所以拿到審稿意見之后，他很快返回了二稿，“我甚至都擔心審稿人會不會覺得我們弄虛作假。”田申笑道。

文章很快被接收，審稿人對文章評價極高，“這將在蝴蝶翅膀圖案領域產生重大影響，并且更廣泛地對進化發育學產生影響，為該主題的一系列新研究奠定基礎。”“這項研究警示了在全基因組關聯分析研究中不能只關注蛋白質編碼基因。”

從小爺爺給我做捕網

田申1993年出生于河北秦皇島，從幼兒時期就對昆蟲極其感興趣。當別的孩童還在因為玩具哭鬧時，他可以一個人興致盎然地在小花壇里盯著蝴蝶、蛾子待上半天。父母見他搞一身泥土不但不責怪，還會給他買很多圖文并茂的書籍和蝴蝶標本。

因為母親常駐日本，父親忙于銀行工作，他從小跟著爺爺奶奶生活。爺爺給他做了很多捕捉蝴蝶的網兜，一開始是用竹竿，不知道被玩壞了多少根，后來干脆直接換成鋼管，“根本拎不動”。

直到讀高中，生物仍然是他最喜歡的學科。“做作業的時候時常把生物作業放在最后做，就像好吃的東西總想留到最后吃”。2012年6月，田申考上了南開大學，生物學是板上釘釘的第一志愿，結果事與愿違，錄取了第二志愿——口腔醫學。

沒有讀上心儀的生物學專業，這讓田申十分沮喪。于是入學兩個月后，他果斷選擇退學，全力備考雅思，申請國外的學校。次年2月，田申赴澳洲讀生物學專業，最終在澳大利亞國立大學獲得理科學士學位。囿于常年與母親聚少離多，在考慮碩士學校時，他選擇了日本東京大學，在程久美子實驗室，從事miRNA研究。

在日本，碩士課程被稱為“博士前期課程”，通常為期2年。完成碩士課程后，學生可以繼續進行“博士后期課程”，這通常為期3年，相當于中國的博士學位課程。

碩士畢業那會兒，田申并不確定繼續讀博還是工作，就一邊申請博士，瞄著世界上有名的“蝴蝶實驗室”；一邊也申請了業界的職位。結果，他拿到了東京大學、劍橋大學、新加坡國立大學的入學offer，一家戰略咨詢公司也遞來橄欖枝。

考慮到博士入學時間較晚，田申決定先入職咨詢公司，成為一名高薪體面的白領。一天到晚漂浮在高空中的格子間，端著咖啡，對著電腦，如果向遠處眺望，還可以看到皇宮，這樣的生活豈不美哉？但田申對這般生活無所適從，“只有試錯之后，我才知道自己真正熱愛的是科研。”

在工作3個月后，田申下定決心讀博。但在東京大學、新加坡國立大學、劍橋大學之間做出選擇，也讓田申十分糾結。

2019年7月，田申收到了新加坡國立大學導師Antonia Monteiro的郵件，大意是“8月即將開學，你什么時候到校？”于是在一個風和日麗的周六，田申打電話與父母商量，最終決定辭去做了4個月的咨詢工作，去新加坡讀博。

Antonia Monteiro是葡萄牙人，藝術細胞豐富，同樣癡迷于蝴蝶。在她家的一面墻壁上，設計了馬賽克瓷磚拼接成的蝴蝶翅膀圖案，這一點讓田申十分著迷。其實他從小就接受美術訓練，在初中時，便與藝考生一起上培訓課，他的畫作常常是藝考生中的佼佼者，“老師甚至建議我參加藝考”。

“我和Antonia Monteiro很聊得來，她給了我廣闊的天地讓我發揮。我在這做了四年博士、一年博后，無論是精神上還是經濟上，Antonia都很支持我，研究經費支持力度很大，討論問題也能產生共鳴，”田申忍不住對導師表達感謝，“直到畢業，我和她仍然聯系緊密”。

今年10月，田申拿到了美國杜克大學的Hargitt fellowship，現在在Anyi Mazo-Vargas實驗室繼續做關于蝴蝶研究的博士后研究工作。田申說，“我希望（未來）建立自己的實驗室，繼續做喜歡的研究工作。”

參考資料

http://doi.org/10.1126/science.adp7899