模式生物的研究与进展课件

四平辽河垦区二中 付艳霞 2010-12-7 目前，世界上公认的用于生命科学研究的常见 模式生物有酵母、线虫、果蝇、斑马鱼、小 鼠、拟南芥，此外常见的模式生物还有大肠杆 菌、家蚕、海胆等等。 酵母 生命科学研究中最常见的模式生物 线虫 果蝇 斑马鱼 小鼠 拟南芥 一、模式生物的概念 二、模式生物的共同特点 三、模式生物研究的背景 四、模式生物在科学中的贡献 五、模式生物研究的意义 六、模式生物的前景展望 七、结束语 作为实验模型用以研究特定生物学现象的动物 、 植物和微生物。从研究模式生物得到的结论， 通常可适用于其他生物。 选择什么样的生物作为模式生物首先依赖于研 究者要解决什么科学问题，然后寻找能最有利 于解决这个问题的物种。 一、模式生物的概念 二、模式生物的共同特点 1）有利于回答研究者关注的问题，能够代表 生物界的某一大类群； 2）对人体和环境无害，容易获得并易于在实 验室内饲养和繁殖； 3）世代短、子代多、遗传背景清楚； 4）容易进行实验操作，特别是具有遗传操作的 手段和表型分析的方法。 三、模式生物研究的背景 早在20世纪最初的20年中，甚至更早到20世纪 的“上世纪”，人们就发现，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。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，所以利用位于生物复杂性阶梯较低位置 上的物种来研究发育共通规律是可能的。 四、模式生物在科学中的贡献 据统计，刊登在Nature、Science和Cell等重 要杂志上的论文中，80以上有关生命过程和 机理的研究都是通过模式生物来进行的。可见 模式生物在促进生命科学发展和推动生命科学 及医学进步中的重要地位和巨大潜力。 以下对6种模式生物在研究中的各自优势、热 点课题、发展方向、以及对生命现象揭密和人 类疾病治疗探索的重大贡献作简要的介绍。 酵母 酵母菌是单细胞真菌 ，目前 已知有1000多种 优点：1）基因组较小 （12Mb），基因数目也比 较少（约5 885） 2）在实验室里快速繁殖 3）酵母细胞简单，但具有所 有真核生物细胞的主要特征 酵母菌是单细胞真核生物的代表，是研究真核生物的最简 单模式材料，是第一种被全基因组测序的真核生物。 在20 世纪60 年代末，Hartwell 采用酿酒酵母细胞建 立系统模型，经过一系列试验，分离出细胞周期基因发 生突变的酵母细胞，相继发现了一系列与细胞周期调控 相关的CDC 基因。 Nurse 在Hartwell 的基础上，发现了调节细胞周期的 一种关键物质CDK，鉴于利用酵母分子遗传学对细胞周 期调控理论的巨大贡献，Hunt、Hartwell 和Nurse 荣 获了21 世纪的首届诺贝尔生理医学奖. 酵母的研究进展 酵母的发展方向 1）可以通过在酵母中表达外源基因来验证基 因的功能， 2）通过同源重组“敲掉”酵母的某些基因来证 明这些基因的功能,并间接推断其他高等生 物中同类基因的功能。 3）利用酵母发展起的酵母双杂与单杂技术是 研究细胞内蛋白质相互作用的重要平台 线虫 现代发育生物学、遗传学和基因组学研究中的 重要模式线虫是秀丽隐杆线虫，其优点： 1）全身透明，以大肠杆菌为食，易在实验室培养 2）雌雄同体成虫有959个，雄成虫有1 031个， 它的每一个体细胞的发展命运都已被研究清楚； 3）在20 时，整个的生命周期仅3天； 由一个受精卵发育成为成熟的成体只要二天多一点（ 25时需52小时）。从卵到成体每个细胞的命运以及 它们沿着一定的程序，在特定时间的分裂和迁移都已 搞得十分清楚。 隐杆线虫还是神经系统最简单的生物之一，总共有 302个神经元，其连结网络形式也已完全清楚。 研究发育过程中细胞分化、凋亡等过程的重要模式生 物，也是研究神经系统发生发展的模式生物。 线虫的研究进展 应用线虫的研究成果 2006年诺贝尔生理学或医学奖授予两名美国科 学家安德鲁菲尔和克雷格梅洛，以表彰他 们在分子生物学和遗传信息方面的开创性工作。 Andrew Z. Fire和Craig C. Mello发现了RNA干 扰机制，论文发表在1998年。这一发现对于防 御病毒及寻找疾病的治疗方法极为重要。 果蝇 果蝇科、果蝇属昆虫，约 1,000种 ；体型较小，身 长34mm。 优点： 1）饲养容易 ； 2）繁殖快，在25左右温 度下十几天就繁殖一代 ； 3）果蝇性状变异很多，比 如眼睛的颜色、翅膀的形 状等性状都有多种变异 科学家不仅用果蝇证实了孟德尔定律，而且发现 了果蝇白眼突变的性连锁遗传，提出了基因在染 色体上直线排列以及连锁交换定律。 果蝇的研究进展 早在1908年，天才的遗传学家摩尔根把果蝇带 上了遗传学研究的历史舞台，果蝇成为了第一 种被称为模式生物的物种，模式生物一词即诞 生于学术界对果蝇遗传学的全面研究中。 现代果蝇研究已经远不止停留在研究眼色突 变和连锁互换规律的层次上了，近几年更多 的科学家专注于研究更高层次的行为决定， 如果蝇的性取向、学习以及记忆等。 近期相关实验表明，通过遗传学手段使果蝇 成为研究神经结构及其功能的较好模型. 应用果蝇的研究成果 摩尔根1933年因提出连锁交换定律被授予诺贝 尔奖。 1946年，摩尔根的学生，被誉为“果蝇的突变 大师”的米勒，证明射线能使果蝇的突变率 提高150倍，因而成为诺贝尔奖获得者。 遗传学的研究、发育的基因调控的研究、各类 神经疾病的研究、帕金森氏病、老年痴呆症、 药物成瘾和酒精中毒、衰老与长寿、学习记忆 与某些认知行为的研究等都有果蝇的“身影”。 斑马鱼 斑马鱼体型纤细，成体 长3-4cm，其基因与人类 87%相似 。 卵子体外受精，体外发 育，胚胎发育同步且速 度快，胚体透明。 斑马鱼的研究进展 1994 年，在冷泉港召开的斑马鱼研究专题会议，标志着 斑马鱼已成为继小鼠后又一生物学研究的重要模式脊椎 动物. 经过30多年的研究应用和系统发展，已经发展出针对斑 马鱼的较完善的胚胎和遗传学操作技术，如细胞标记技 术、组织移植技术、突变技术、单倍体育种技术、转基 因技术、基因活性抑制技术等已经成熟； 斑马鱼的研究方向 斑马鱼模式生物的使用正逐渐拓展和深入到生 命体的多种系统，例如，神经系统、免疫系 统、心血管系统、生殖系统等的发育、功能和 疾病，例如，神经退行性疾病、遗传性心血管 疾病、糖尿病等的研究中，并已应用于小分子 化合物的大规模新药筛选。 小鼠 小鼠属于脊椎动物门，哺 乳纲，啮齿目，鼠科，小 鼠属动物. 育成1000多近交系和 独立的远交群。 优点：体小，饲养管 理方便，易于控制， 生产繁殖快 ， 哺乳动物，因此和人类有 极近的亲缘关系 小鼠的研究进展 1902 年，哈佛大学的Castle 在当时孟德尔遗 传学研究的影响下对小鼠的毛色进行观察，开 始了小鼠遗传学研究. 1905 年，法国遗传学家Lucien Claude Cuno 通过对黄白相间的杂色鼠进行研究，发现了第 一个等位纯合致死基因. Castle 在1909 年培育出了第一个近亲繁殖的小 鼠株系DBA. 1998 年，在Dolly 羊出生1 年后，克隆小鼠也在夏威 夷的实验室中诞生. 2002 年12 月，MGSC 公布了C57BL / 6J品系小鼠基 因组序列草图，至此小鼠的研究进入了一个新阶段。 2006 年，对15 种生物实验室常用小鼠品系的基因组 测序计划完成，发现了大约830 万个单核苷酸多态 性。研究结果已免费向读者开放，成为研究环境因素 引发疾病机制的宝贵资源. 小鼠日益丰富的生理生化数据有助于研究人类 对帕金森氏症、癌症、糖尿病、心脏病、肺部 疾病、生殖系统疾病、哮喘等多种疾病的易感 性. 比较医学的研究使得我们可以将小鼠的特定生 理生化功能和人类进行比较分析. 小鼠的研究方向 拟南芥 拟南芥是二年生草本，十字花科植 物，羽状多叶，茎高度达40厘米 优点： 1）植株形态个体小，高度 只有30cm左右，1个茶杯可种植好 几棵； 2）生长周期快，每代时间短，从 播种到收获种子一般只需6周左右 ； 3）种子多，每株每代可产生数千 粒种子； 4）形态特征简单，生命力强，用 普通培养基就可作人工培养； 5）基因组小，只有5对染色体。 拟南芥的研究进展 2000 年拟南芥基因组测序完成，成为第一个 基因组被完整测序的植物。 拟南芥基因组的研究工作与人类基因组的研究 一样，已经进入了后基因组时代，亦称功能基 因组学时代. 拟南芥的研究方向 拟南芥可以被高效地诱变或通过TDNA插入获得丰 富的突变体，通过对突变基因的克隆与鉴定，明确相 应野生型基因的分子生物学功能。 绝大多数植物基因的功能，都是通过拟南芥的研究而 鉴定出来的。 五、模式生物研究的意义 1）研究模式生物其基因的结构和生物学功 能 ，可推测相似的人体基因的功能； 2）生命科学及医学的发展，模式生物发挥着 重要的作用； 3）模式生物的研究作为主流研究领域的重要 组成部分，体现一个国家的科学研究水平 六、模式生物的前景展望 生命科学基础研究主要是以模式生物为对象， 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 这些模式生物为研究对象的重大科学发现层出 不穷. 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.目前，我国已启动了家蚕模式生 物的研究计划，试图建立另具特色的新模式生 物，并以此为契机，推动我国特有模式生物的 研究。 随着越来越多的研究者的加入、分子生物学的 飞速发展，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 加快对分子生物学的研究进展. 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。 结束语 v 当