模式生物小结

1、模式生物摘要：模式生物的研究对于生命科学的发展具有重大意义，是探索生物起源奥秘、治疗疑难杂症以及解密奇特生命现象的重要手段。模式生物（model organism）能够代表一类生物的基本特点，结构相对简单并易于进行试验操作，因此普遍用于遗传学、发育生物学、生理学和分子细胞学等方面的研究。其普遍特点是如：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；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；世代短、子代多、遗传背景清楚；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等. 不同的模式生物由于其各自的遗传生长特点及其在进化过程中的地位，而又具有各自独特的特点.下文主

2、要介绍了酵母、斑马鱼、小鼠这三种模式生物，让我们一起来了解了解这些模式生物的特点及研究优势。关键词：模式生物酵母 斑马鱼 小鼠1.酵母在各种模式生物中, 酵母是最早被认识、研究得最深入的真核生物之一, 也是分子生物学研究的常用模式物种。酵母与其它真核生物相比，它们的基因组较小（约 12 Mb），基因数目也比较少（约 5 885）。与大肠杆菌类似，它们可以在实验室里快速繁殖，在理想条件下，每次细胞分裂大约 90 min，可以从单个细胞繁殖成克隆群体. 酵母作为模式实验系统最重要的优点是，酵母细胞不仅简单，而且具有所有真核生物细胞的主要特征，如含有一个独立的细胞核、多条线性染色体包装成染色质、细胞

3、质包含了全部的细胞器（如线粒体）和具有细胞骨架结构（如肌动纤维蛋白）等。在酵母系统中，单倍体和双倍体细胞的存在促进了酵母的遗传分析。酵母在单倍体和二倍体的状态下均能生长，并能在实验条件下较为方便地控制单倍体和二倍体之间的相互转换，这种转换是通过交配（单倍体到双倍体）和孢子生成（双倍体到单倍体）来实现的，这对其基因功能的研究十分有利。例如，要想知道一个特定的基因是否是细胞生长所必需的，可以在单倍体里敲除这个基因，单倍体细胞只能承受非必需基因的敲除。在酵母中容易对其基因组做精确的人为突变，当把末端与基因组的任何一个特定区域同源的线性DNA 引入到酵母细胞中，酵母基因组就会发生非常高的同源重组，导致

4、目标染色体序列被所用的目的染色体片段所取代。如精确地删除整个基因的编码区、改变单个特定的密码子，甚至改变启动子中一个特定的碱基对，这使得研究基因或其调控序列的功能等具体问题变得比较容易。目前已发展了一些非常有效的技术使得酵母基因组中的任何一个基因均能被突变的等位基因取代甚至完全缺失。因此, 酵母作为一种模式生物已广泛应用于表观遗传学研究。近几年来以酵母为模式生物研究DNA 损伤修复过程和异染色质形成机制已经取得了长足的进展,揭示了基本的生命现象, 为表观遗传学研究生物体维持基因组稳定性机制提供了良好的启示和理论基础。这些已报道的研究主要集中于组蛋白修饰领域,涉及到两大方面: 一是建立一个稳定的

5、染色质环境,通过修饰划分常染色质和异染色质的不同区域; 二是统筹与DNA 相关的生物功能, 包括基因的表达调控、DNA 损伤修复、染色质浓缩等过程。另外，酵母细胞由于凋亡过程的保守性及其作为分子生物学模式物种的先天优势，成为凋亡研究新的模式生物。目前该领域发展迅速，酵母已被用于研究多种凋亡相关的重大疾病。不可否认的是，酵母并不是哺乳动物细胞凋亡的完整拷贝，因此酵母细胞作为模式菌株仍存在一些瓶颈问题。目前认为，酵母缺乏某些动物细胞凋亡的重要调控因子。解决这一问题需要加强对酵母细胞凋亡的研究，同时寻找其他进化稍高等的物种作为补充。酵母作为细胞凋亡模式生物还有很大空间。酵母可用于解释不同凋亡途径间的

6、复杂层次以及凋亡执行过程中尚未揭示的下游事件，如染色质修饰、凝缩与细胞死亡三者之间的关系等。酵母也可用于揭示细胞周期与凋亡之间的平衡与联系。此外，动物细胞凋亡相关的死亡形式自嗜(autophage)对于抑制细胞癌变非常重要。因此随着酵母中发现自嗜基因，酵母对于研究自嗜与凋亡通路之间的关系也应当有所贡献。我们有理由相信，细胞凋亡的酵母模型将在未来10 年内取得更丰硕的成果。2.斑马鱼作为模式生物，斑马鱼（Daniorerio）不仅有脊椎生物的一般特点，而且具备诸多技术优势：饲养简单、成本较低、繁殖力强、胚胎透明、个体较小、时代时间短、遗传信息丰富、拥有大量实验室突变系、可进行正向和反向遗传分析等

7、。斑马鱼个体较小，可以在较小的空间里繁殖高密度的种群，利于节省试验成本。时代时间较短，仅3-4 个月，有助于长期的遗传学研究。实验室条件下，斑马鱼可常年产卵，允许连续大规模繁殖后代。通常，雌性每周可产卵一次，每次产卵50-200枚。胚胎发育快，受精后24 h（hpf）身体成型，大部分器官96 hpf内发育完全。斑马鱼胚胎个体小，可在微孔反应板上培养；与哺乳动物胚胎在子宫内发育的情况不同，斑马鱼是体外发育，便于人工操作，如通过控制培养液直接对胚胎进行水处理（water treatment）；胚胎透明度高，且发育快速，易于观察，适于进行显微注射。斑马鱼全基因组测序已于2005 年完成，丰富的遗传信

8、息为确定斑马鱼各种生物学参数的标准值、鉴定试验突变体提供了依据。基于实验室研究的迅速发展，现已获得多种具有不同特性的斑马鱼突变品系，能满足不同试验需求。斑马鱼也是常用的脊椎动物毒理学模型，用作生态毒理学测试物种，检测水质中化学物质对鱼类生存、生长和繁殖状况的影响。但基于动物权益维护和环境保护的需要，目前斑马鱼胚胎毒理学测试仅作为备用手段用于减少或代替实时监测。但实验室养殖斑马鱼也有困难，该种群易发生微孢子虫病和分枝杆菌病，这两种难治愈且不易根除的传染性疾病。此外，斑马鱼生物学和生态学的信息还十分有限，基因组数据库也不完善，不能满足当前研究的需要。目前斑马鱼的反向遗传学手段应用较少，使用特殊设计

9、并合成的吗啉代寡聚核糖核酸（morpholino）可以暂时性的抑制目的基因的表达。转基因斑马鱼用于基因表达和发育调控研究：以斑马鱼为模式生物，利用转基因技术，科学家们对脊椎动物热生物学进行了系统的研究，包括温度对斑马鱼生长发育、繁殖和性别分化的影响，温度对生理节律、动物行为的调节，温度对基因表达（如热激蛋白）的影响等。此外，对生物钟系统、细胞周期、神经发育学都有广泛的研究。孟安明，林硕利用斑马鱼GATA-2 基因5' 侧翼调控序列和GFP 基因，获得了只在中枢神经细胞表达GFP 或在神经细胞和表层细胞都表达GFP 的转基因斑马鱼种系，同时还进一步证实了GATA-2 基因在胚胎发育中的时

10、空表达谱。活体形态发生和细胞迁移研究：为观察胰外分泌腺细胞的分化、增殖和形态发生，用弹性蛋白酶A 启动子调控GFP 在斑马鱼胰腺外分泌腺中特异性表达，发现胰腺在发育早期是一个紧密结合的实体，然后沿肠向后延伸。人类免疫性疾病、自体吞噬和神经性疾病的研究:斑马鱼遗传操作简单，已经成功用于多种人类疾病模型的构建，在研究人类疾病发病机理、治疗手段等方面作出了卓越贡献。例如，通过斑马鱼启动子表达显性突变基因，构建荧光重组体，瞬时过表达和反义基因敲除技术的应用，对人类中央核性疾病、亨廷顿舞蹈症、多谷氨酰胺疾病和老年痴呆进行研究。转基因斑马鱼用于生态环境监测：近年来，国内外运用转基因斑马鱼检测水体环境中的重

11、金属毒性、环境激素、综合毒性和有机污染物毒性等，成效显著，日益受到关注。目前主要通过3 种途径使用转基因斑马鱼对环境污染物进行监测。第一种方法是使用整合了大量大肠杆菌穿梭载体的转基因斑马鱼检测环境诱变剂，如以荧光定位的转换来测试诱变剂的活性；第二种方法是使用受到不同环境污染物，如芳烃、重金属或环境雌激素污染影响的启动调控元件，利用该元件诱导荧光或荧光酶的表达；第三种方法是利用组织特异性表达的荧光鱼筛选随特殊发育途径产生特殊作用的环境毒素。在受热、重金属等压力胁迫条件下，生物体细胞中的热激蛋白HSP 会在保护和修复途径中发挥重要作用。3.小鼠小鼠作为模式生物相对于其他物种有什么优势？首先，从进化

12、的角度上来看小鼠作为哺乳动物的代表有其不可动摇的地位。除了小鼠以外的四种模式动物都至少在2.7亿年前就在进化上与人类走到了不同的分支，而小鼠在6 千万年前还和人类共同拥有一个祖先。在2002年小鼠基因组的测序工作初步完成时，研究者们分析了96% 小鼠基因组序列。在这其中有99% 的基因能在人的基因组序列中找到同源序列，证实了小鼠与人类在基因水平上的高度同源。同样，小鼠的生理生化指标及其调控机制和人类相同或相似，因此小鼠的研究成果就有很大的可能性是可以推演到人类，所以对小鼠进行研究的有很大的应用价值。其次，和狗、猴等大型哺乳动物相比，小鼠的繁殖能力强，生殖周期短。通常实验用的近交系小鼠一胎生育5

13、10 只幼鼠，而远交群的小鼠的生殖能力更强。这些幼鼠在10周之后就能达到性成熟的状态，开始繁殖下一代。同时小鼠没有亲子相残的习性，这样生产后的雌鼠和幼鼠仍可以和雄鼠同笼。这样不但确保了幼鼠的成活率，同时也能提高交配的频率，确保了繁殖的高效率。小鼠饲养也相对简单，由于小鼠体积小( 通常成年鼠的体重在2040g 之间)，所以可以在有限的空间内进行大规模饲养，因而十分利于进行大规模的实验。再次，小鼠交配时会形成阴栓，这有助于判断交配的时间，对研究中判断不同发育阶段十分重要。因为其他动物的受精时间通常要通过观察交配行为来确定，而小鼠的这种特性就使研究人员不必时刻注意实验动物的行为，为工作提供了便利。小

14、鼠的大多数品系比较温顺，容易抓取和进行实验操作。最后，由于小鼠的这些特点使其在世界范围内广泛使用，而且形成了各种实验用近交系，使用有基本一致遗传背景的近交系小鼠所做出的实验成果容易在不同的实验室重复，这就使实验结果更容易被接受。这也是小鼠作为模式生物的主要优势之一。小鼠在生命科学的研究中有着诸多用途。根据其对小鼠的影响，常见的实验应用可以分为三大类：第一类是只对小鼠进行观察和检测的实验应用；第二类是不改变小鼠基因，但是对小鼠施加了外界影响的实验应用；第三类是改变小鼠基因组的实验应用。第一大类的实验应用中使用的实验技术是相对较为常规的。该类包括了小鼠的解剖、形态观察和组织学分析、基因鉴定(gen

15、ome typing)、各种免疫印迹(Western，Northern，Southern Blot)和RNA检验方法(RT-PCR)等微观实验。这些实验技术不仅仅适用于小鼠，在其他大多数生命科学的研究中都被广泛使用着，因此本文不作详细介绍。但是由于小鼠有其自身的特性，所以这一类实验应用有其自身独特的价值。例如小鼠的近交系通常都是高癌系，可以用于进行自发癌症的研究；而小鼠的生活周期短，也便于进行老化研究。这类实验由于都是自然发生的表型，所以其结果的可信度较高。只是进行分析研究时较为复杂，并需要大量的小鼠以获得足够的样本。这恰恰就是小鼠相对于其他哺乳动物的优势所在。第二大类的实验应用根据对小鼠施加

16、的外界影响分为两种，一种是非生物源性的，另一种是生物源性的。非生物源性的外界影响包括了辐射、毒素等各种环境因素以及各种化学合成药品。在这些实验当中，将小鼠暴露在特定环境中。然后通过小鼠对这些刺激的反应，可以研究动物如何抵抗不利环境的作用，及不利环境下动物受到什么伤害。这些结果将有助于提高人类自身对不利环境的抵抗，同时也可以利用小鼠的反应将其作为环境检测的实验对象。另一方面的应用是新的药物及治疗方案的安全性和有效性测试，这类生物源性的外界刺激包括了蛋白质、激素等试剂的注射以及细胞、组织移植等。注射各种生物制剂的目的和注射化学合成药品的目的相仿，都是希望通过小鼠来研究这些制剂的作用效果。而细胞或者

17、组织的移植则在医学上有较为重要的意义。小鼠便于获取、实验重复性好、与人类的反应性相似等特性使其成为一种较好的药物和治疗方案的测试用动物。选择小鼠来做移植实验有许多优势。近交系小鼠中由于个体之间的遗传背景基本相同，所以同品系的异体移植的组织排异反应十分轻微，为研究这类技术和需要使用这项技术的研究提供了便利。而且小鼠中免疫缺陷的品系，如裸鼠等对异体移植物无排异反应，所以经常用来做人类肿瘤细胞的转移和生长模型的载体。由于实验用小鼠是小家鼠来源，具有与人类基本相近一致的居住环境适应性，所以易感病原体在很大程度上和人类相同，因而小鼠对许多种类传染病的研究也非常重要。第三大类是经典的小鼠突变模型大多是通过

18、对自发突变的筛选与培育得到的，但是小鼠发生自然突变的概率大约只有20 万分之一，所以期待运用自然突变进行饱和突变筛选完全不可能实现。在众多科学家的努力下，小鼠基因组改造技术已经非常成熟，成为功能基因组研究的最主要手段之一。证明一个特定基因的在某个器官或发育过程中的功能不外乎要给出三个证据：首先，要确证该基因在此器官或发育过程中特异性表达；其次，证明运用分子生物学手段“剔除”或“敲落”该基因导致器官功能或发育调控的异常；最后，改变该基因的表达特异性也可能导致器官功能或发育调控的异常。前一个问题涉及RNA 和蛋白水平的分析，而后两个证据则主要依赖于基因剔除和转基因的手段。运用基因组改造技术建立起来的疾病模型，不仅仅对生物医学的基础研究至关重要，而且对发现新的药物靶标、新药筛选等有重大意义。总结：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，例如，线虫的细胞分化谱系明