发育生物学研究中的模式动物——综述.doc

发育生物学研究中的模式动物——综述.doc 发育生物学研究中的模式动物 摘要:模式生物在生命科学研究中有重要的作用，不仅能回答最基本的生物学问题，对人类的疾病治疗也有借鉴意义。近年来随着分子生物学、发育生物学的发展及功能基因组 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 的开展，模式生物的作用便显得越来越重要。本文着重介绍了斑马鱼、秀丽线虫及果蝇三种经典模式生物的研究历史、研究优势及发展等，进而简要阐述了模式生物在今天生命科学发展中的重要地位和推动生命科学及医学进步的不可替代的巨大潜力( 关键词:模式生物;发育生物学; 引言:在生物学发展之初，人们发现如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上则发育的现象难题可以得到部分解答。因为这些生物的细胞数量更少，分布相对单一，变化也较好观察。并且由于进化的原因，细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性，所以利用较低等级的物种来研究发育的共通规律是具有一定的可行性。尤其是当我们在有不同发育特点的生物中发现共同的形态形成和变化特征时，就可以以此来建立发育的普遍原理，因此这种生物就显得尤为重要，我们称之为“模式生物”。 模式生物具有许多共同的特征，如形体相对较小，在实验室内易于培养和繁殖，世代周期短，形态结构相对比较简单，繁殖系数高(后代数量众多)等，而且通常情况下它的基因组会比较小。前两点是出于实验室空间考虑，而世代周期短是出于研究时间的考虑;形态结构的简单性能够减少特有生命现象的干扰，以便使人们更专注于生物遗传发育的基本规律。 目前一些物种被大家公认为是优良的模式生物，如线虫、果蝇、非洲爪蟾、蝾螈、小鼠、斑马鱼、噬菌体、大肠杆菌、酿酒酵母、海胆等。它们在人口与健康领域应用范围比较广。而在植物学研究中比较常用的有，拟南芥、水稻、烟草等。 1.几种经典模式生物概况: 1.1海胆 第一个被用作模式生物的是海胆，它的胚胎对早期发育生物学的发展有举足轻重的作用。早在一八七五年，奥斯卡?赫特维格(Oscer Hertiwig, 1849-1922)就开始以海胆为材料研究受精过程中细胞核的作用，一八九?年后，海胆更在受 精和早期胚胎发育的研究中担任重要角色。一八九一年，汉斯?德瑞希(Hans Driesh, 1876-1941)在海胆中完成了胚胎分裂实验，为现代发育生物学奠定了第一块理念里程碑。他在显微镜下把刚刚完成第一次分裂的海胆一分为二，结果发现，分开后的两个细胞各自形成了一个完整幼虫。这一实验的意义在于证明胚胎具有调整发育的能力，并颠覆了盛行一时的机械论发育思想。 海胆以其易于得到大量受精精卵，同步发育，胚体透明，孵化速度快的特点成为了生物学研究的模式生物。由于棘皮动物的胚胎形成方式和脊索动物一样，所以样子虽然看起来原始，但实际上是包括人在内的脊索动物的近亲。因此海胆引起基因组测序人员的重视。而测序的结果 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 表明海胆与人类有许多相似基因，但是人类基因数量比较多，提示在海胆与人类分道扬镳后,脊椎动物在进化过程中至少出现过两次全基因组复制。 1.2果蝇 黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)属于昆虫纲的双翅目，20世纪初Morgan选择黑腹果蝇作为研究对象，建立了遗传的染色体理论，奠定了经典遗传学的基础并开创利用果蝇作为模式生物的先河。20世纪80年代以后针对果蝇的基因组操作取得重大进展，并发展出一系列的有效技术。2000年，果蝇的全基因组测序基本完成，全基因组约165Mb(Wan Y Q， 2006)。 果蝇体型小，体长不到半厘米;饲养管理容易，既可喂以腐烂的水果，又可配培养基饲料;一个牛奶瓶里可以养上成百只。果蝇繁殖系数高，孵化快，只要1天时间其卵即可孵化成幼虫，2-3天后变成蛹，再过5天就羽化为成虫。从卵到成虫只要10天左右，一年就可以繁殖30代。果蝇的染色体数目少，仅3对常染色体和1对性染色体，便于分析。作遗传分析时，研究者只需用放大镜或显微镜一个个地观察、计数就行了，从而使得劳动量大为减轻。且果蝇与人类在身体发育、神经退化、肿瘤形成等的调控机制，都有非常多相通处，许多人类的基因在果蝇身上也有，甚至功能可以互通。 生命周期快，繁殖容易和可进行基因定位研究的巨大的多线染色体等特性使果蝇最适合用于遗传分析。它被科学家们称为上帝的礼物，是遗传学上的重要的实验材料同时也是重要的实验模型。但是现代果蝇研究已经远不止停留在研究白眼突变和连锁互换规律的层次上了，更多的科学家关注着怎样使果蝇的研究更好 地为人类服务，又由于果蝇在各个方面与人类有着惊人的相似之处，因此，人们将它应用于癌症疗法、全球暖化与气候变迁的初期预警系统、阿兹海默氏症与亨丁顿氏舞蹈症等神经退化失调症、以及酒瘾与药瘾遗传，还有失眠与时差的研究等等诸多领域。下面，本文仅就个别引起广泛注目的新成果做一简要介绍。 果蝇具有简单抉择行为: 为了判断果蝇是否具有简单抉择行为，和产生这种简单抉择行为的原因，科学家们做了如下实验: 在实验前，先在果蝇的头—背之间用由紫外光可固化的胶粘上一个V形挂钩，这样就限定了果蝇的头与胸之间的转动自由度，使得当果蝇被挂在飞行模拟器的扭矩探头的悬丝上时，只能有一个在水平方向的旋转自由度，一旦将果蝇的视觉目标(在白色圆筒的概念上的四等分区间的中心等高位置上，有正置的黑色“T”英文字母，和倒置的“T”英文字母。在圆筒壁上相邻的90度两象限的T图形方位不同，相对象限的T图形相同)与果蝇的飞行扭矩之间构成闭环，形成负反馈，果蝇就可以通过自身飞行扭矩来调控模式位置和角速度，就如同汽车司机通过方向盘来把握汽车方向，驾驶汽车一样。在视觉操作式条件化过程中，科学家们设定了朝着其中的一种T图形的飞行方向为“禁飞区”，一旦这个T图形进入了果蝇视觉感受野正前方的90度象限，果蝇就立刻受到由计算机在线控制的“热击”的惩罚。果蝇立刻用自身扭矩控制飞行方向，躲避惩罚，使得另一个图形进入果蝇视觉正前方的90度区域，“热击”就立刻被计算机关断，果蝇经过若干次反复，就会“悟出”并记住什么样的T图形出现时是与“热击”相关联的。 在实验中，果蝇看到的是同时具有颜色和形状的彩色图形。先训练果蝇喜欢绿色的正置T形，而厌恶蓝色的倒置?。然后改变图形使其形状相同，发现果蝇会根据颜色选择绿色图形，而回避蓝色图形。或者消去原有图形的颜色，发现果蝇会选择T图形而回避?图形。这证明果蝇在训练中已经同时获取了有关色彩和图形的知识。 然后研究人员让这些经过训练的果蝇在蓝色T和绿色?之间作选择。这时由于颜色和形状提供的线索互相矛盾，果蝇会陷入两难的困境。通过比较几种果蝇的抉择行为，发现:正常的野生型果蝇(WTB)可以根据线索强度对比变化，果断做出最为有利的选择，而通过基因突变或生化方法导致蘑菇体缺失的果蝇则 犹豫不决，不能做出稳定的抉择。 在这种类似决策的行为中，科学家们猜想果蝇脑内的蘑菇体结构可能发挥着关键作用。蘑菇体是果蝇脑内的重要结构，1850年蘑菇体的发现者曾经猜想它是果蝇脑内产生“自由意志”和实施“智能控制”的地方。实验中，科学家们发现的蘑菇体在果蝇的类认知行为中起着重要作用，从某种程度上验证了1850年蘑菇体的发现者的猜想，起着一种补充的作用。 这个发现对人类的意义现在还不好说。人脑中没有蘑菇体，与此同时，果蝇脑只有30万个神经元，人脑则有1000亿个，两者不可简单类比。但作为模式动物，果蝇脑中的细胞和分子过程，与高等动物可能有相似性，这意味着在果蝇身上得到的知识，可能对研究人及高等动物的决策行为有借鉴作用。 果蝇也有“同性恋者”: 在美国的一家实验室中，某些果蝇的行为令人有点困惑，罐里的雌果蝇挤成一团，而雄果蝇却以通常追逐异性时才有的狂热在同性之间“寻欢作乐”，相互摩擦生殖器。这是科学家使这些果蝇变成了“同性恋者”，他们把一种基因移植到了果蝇体内，导致它们表现出“同性恋”行为，更为重要的是，与此相关的基因也存在于人类身上，虽然尚无迹象表明该基因影响人的性取向。虽然并非一个基因就能使人变成同性恋者，但这项研究对基因构成如何通过一系列复杂的生化反应影响性倾向这个问题或许会有新启迪。 “糖尿病果蝇”: 美国斯坦福大学研究人员新培育出一种“糖尿病果蝇”，并希望能借助这些小“患者”更深入研究人类糖尿病的发病机理，进而寻找新的治疗途径。研究人员发现，果蝇的大脑中也存在着控制胰岛素产生的细胞。他们设法使一些果蝇幼虫大脑中此类细胞失去正常工作能力，结果培育出了“糖尿病果蝇”。“患病”的果蝇幼虫不仅个头异常小，发育为成年果蝇的速度明显要慢，而且缺乏胰岛素的果蝇幼虫体内血糖水平也出现升高。研究还显示，果蝇大脑中控制胰岛素产生的细胞会向果蝇心脏传递信号，然后再通过神经系统调节胰岛素进入果蝇循环系统，这与人类的胰岛控制胰岛素进入血液的过程有些类似。因此，科学家们希望对于“糖尿病果蝇”的研究能够对人类糖尿病的治疗和预防有所帮助。 帕金森氏症的新模型: 一种在果蝇身上开发出的帕金森氏症新模型，被认为对于这种疾病的研究具有重大价值，因为科学家可利用专为果蝇开发的一系列强大的基因工具来研究这种疾病。虽然果蝇与人类相差悬殊，但该模型却能很好地重现人类帕金森氏症的主要特征。为a-synuclein(一种丰富的、功能未知的神经蛋白)编码的基因发生突变，可在家族性帕金森氏症患者身上导致神经发生，而在果蝇身上产生这一动物模型的正是同样的基因突变。运用现代的基因技术新手段，人们可以通过对果蝇的研究加深对神经疾病的了解，并由此发现根治帕金森氏症的方法。 挖掘果蝇过去百年的实验生命，已经发表的论文早就有十万篇了，而且每天都有更新的论文出炉，除非发疯，或是为了学术目的，否则不会有人进行那样的探索。但人们却一直在不懈地探索着，本文作者没有什么别得目的，一方面是为了完成作业，而另一方面更重要得是透过冰山一角让人们了解一个短暂的生命如何协助我们确立生物学知识的边界…… 1.3斑马鱼 斑马鱼(Danio rerio)为一种热带硬骨鱼，是研究脊椎动物器官发育和人类疾病的重要遗传学模型之一。20世纪70年代美国遗传学家George Streisinger注意到斑马鱼的优点，并开始研究其养殖方法、胚胎发育等，并发展一些相关的遗传学技术。并在Nature上发表了关于斑马鱼体外受精、单倍体诱导技术相关的论文(Streisinger G， 1981)。到20世纪90年代初，德国发育生物学家Christine Nusslein,Volhard以及美国哈佛大学的Wolfgang Driever博士的研究组同时开始对斑马鱼进行大规模化学诱变研究(Driever W， 1996)。 斑马鱼显著优势在于体积小，可在较小的空间大量繁殖;产卵量高(每周200多个)发育快，许多组织在受精后24 h开始形成;成熟周期短，体外受精且胚胎透明，可在体视解剖镜下观察。它的神经中枢系统、内脏器官、血液以及视觉系统，在分子水平上85,与人相同，尤其是心血管系统，早期发育与人类极为相似，在胚胎发育过程中可以全程观察和研究其心脏发育及血液流动状态。借助显微镜，甚至可看到每个心肌细胞和血液细胞。与之相比，线虫和果蝇与人相距甚远，包括造血功能在内的许多人体重要生理功能以及相关的疾病基因在这些模式生物体内并不存在。且斑马鱼单倍体、雌核发育二倍体的制作和突变体的获得均较容易，精子可以冷冻保存，所有这些特点使斑马鱼非常适合于遗传学的研究( 高速繁殖有利于基因筛选，早期发育与人类极为相似，这些特点使得斑马鱼成为目前研究人类疾病及动物胚胎发育的最佳模式生物。特别在母体产生的因子(如蛋白质和mRNA)对启动胚胎发育的影响、体轴的形成机制、胚层的诱导与分化、胚胎中细胞的运动机制、器官的形成、左右不对称发育、原始生殖细胞的起源等方面做出巨大贡献。 1.4秀丽线虫 秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)在当今的生命科学研究中起着举足轻重的作用。20世纪60年代，Brenner在确立了分子遗传学的中心法则以后，为探索个体及神经发育的遗传机制，而最终选择了秀丽线虫这一比果蝇更简单的生物。并在1974年在Genetics上发表文章，在这篇文章中详细描述了秀丽线虫的突变体筛选、基因定位等遗传操作方法(Brenner S. 1974)。为秀丽线虫作为模式生物进行个体发育的遗传研究奠定了基础。自Brenner开始，四十多年来，以秀丽线虫为模式生物的研究几乎涉及到生命科学的各个领域并取得了重大突破，如MAPK信号传导、细胞程序性死亡、TGF-β信号传递途径、RNA干扰(RNAinterference,RNAi)和微RNA(microRNA,mRNA)等。 秀丽线虫成虫长约1mm，身体为半透明，研究时不需染色，即可在显微镜下看到线虫体内的器官如肠道、生殖腺等;若使用高倍相位差显微镜，还可达到单一细胞的分辨率。此外它的细胞数目以及细胞命运图谱几乎固定，并且易于追踪。又因为线虫仅有一千多个体细胞，所以它的所有细胞都可以澈底地观察研究，这与人体数十兆的体细胞比起来，真是简单多了。因此，线虫是研究细胞分裂、分化、死亡等的好材料。它以大肠杆菌为食，易在实验室培养。从一个受精卵发育成可以产卵的成虫，它只需要3d。在实验室中只要有一台解剖显微镜，一只自制的铂金丝小铲，就可以进行线虫培养操作了。在自然状态下，秀丽线虫绝大部分个体为雌雄同体(hermaphrodite)，其一生能产生约300个受精卵。如果在一个培养皿上放上几只线虫，几天之后就可得到大量的后代。自然产生的秀丽线虫群体中只有约千分之一为雄性，但在实验室里可以用热激的办法来产生雄性个体以用于遗传交配。由于具有雄性和雌雄同体这两种性别特征，秀丽线虫在遗传研究上具有无可比拟的优势。一方面，不同遗传背景的秀丽线虫可以像果蝇等模式动物一样进行遗传交配，进行遗传分析或获得具有多种性状的个体;另一方面， 经突变或交配产生的新性状无需再经交配只需转接继代就可以保持了。事实上，秀丽线虫可以像动物培养细胞一样储存在-80?冰箱或液氮中，这就为大量保存各种遗传背景的秀丽线虫株系提供了极大的便利。这一优势也是其他模式动物，如果蝇和小鼠等所不具备的。 2.模式生物对于发育生物学的意义: 模式生物的研究是人类基因组计划的一个重要组成部分, 是人类基因组计划的必要的补充, 这对人类基因组计划的研究有很大的促进作用。由于人类对其自身理解的限制、实验的限制和伦理学的制约, 医学、生物学的研究在很大程度上依赖于对一些模式生物的研究, 在研究人类基因组的同时, 平行地进行一些如微生物、植物、动物等模式生物的研究, 可为人类基因组的研究作方法学和组织工作方面的准备。将从模式生物中得到的数据和资料与人类基因组比较, 通过不同生物基因序列的同源性来阐明人类相应基因的功能; 通过研究小而简单的模式生物的基因组, 积累实验发展模式, 同时对模式生物的研究亦有经济价值, 一些与人类基因有相似性, 但结构和基因组成却相对比较简单的生物体就成为进行人类基因组研究的好样本。 模式生物的研究在人类疾病(特别是遗传性疾病)的预防、诊断、治疗以及新药开发等方面也有很广泛的应用前景。如:把某些病原体的抗原或毒素基因转入普通的食物或水果中, 以吃这些水果代替传统的疫苗来达到预防疾病的目的;利用细胞衰老的分子机制来生产保持皮肤光泽、有弹性的新一代化妆品。同时模式生物的研究成果的应用也给人们生活、生产带来了更深刻、更广泛的影响，现在已经开始对植物的遗传物质进行修饰，这一成果已经和正在对人类社会产生巨大的影响。全世界绝大部分的食物、燃料、纤维、化学原料和部分药物将来都有可能取自遗传修饰的植物。如:通过遗传修饰产生抗性大豆、棉花、油菜、土豆、玉米等的种子已经育成, 而且通过FDA 的严格审查开始在大田里种植。 3.小结 通过上面的介绍我们看到，模式生物已经在现代生命科学基础研究中具有举足轻重的地位。尤其是在最近几年，这些模式生物的基因组测序相继完成，在这些基因组信息的基础上，以这模式生物为研究对象的重大科学发现层出不穷。随着人类全基因组测序工作的完成，对人的研究也已经 进入了“后基因组时代”，在后基因组时代，对这些处于生物演化不同阶段的模式生物体的研究是认识人类基因结构与功能所不可缺少的;同时，要想在整个基因组的规模上了解基因组和蛋白质组的功能意义，包括基因组的表达与调控、基因组的多样化和进化规律以及基因及其产物在生物体生长、发育、分化、行为、老化和治病过程中的作用机制，都必须充分加强对不同种类模式生物的综合研究以及发展新的模式生物。基于各种模式生物的不同特点，研究者可以根据研究目的之不同，有机地进行模式生物的选择与组合搭配。 随着越来越多的研究者的加入，也随着发育生物学的飞速发展，以及越来越多物种的基因组被测序，许多生物都有可能成为很好的模式生物。经典模式生物的数据库不断的完善将会加快对发育生物学的研究进展。有关模式生物的研究必将继续为人类探索生命规律的调控机制做出更大贡献。 参考文献 [1] 郭炳冉,发育生物学模式生物，2008年，生物学教学，(第33卷)第九期; [2] 张红卫，发育生物学(第2版)，2010年6月，高等教育出版社; [3]王凯，生命科学研究中常用模式生物，生命科学研究，2010年4月，第14卷第2期; [4] 万永奇, 谢 维，生命科学与人类疾病研究的重要模型——果蝇，2006 年10 月第18 卷第 5 期，生命科学;