发育生物学研究中的模式动物——综述(2)

2019-01-05 12:06

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;


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