发育生物学模式动物

1、发育生物学近年来研究进展模式动物摘要：随着科学技术水平的不断发展，在生命科学、人类医药和健康研究领域， 由于一些原因,人们必须寻找一类用作研究的实验动物，通过相互参照，可以用一种动物的生命活动过程成为另一种动物或者人类的参照物。对一些难以在人身上进行的工作，及一些数量很少的珍稀 动物，或一些因体型庞大、不易实施操作的动物种类，采用取材容易、操作简便的另一种动 物来代替人类或原来的目标动物进行实验研究，这就是动物实验。为了保证这些动物实验更科学、准确和重复性好，可以用各种方法把一些需要研究的生理或病理活动相对稳定地显现 在标准化的实验动物身上，供实验研究之用。这些标准化的实验动物就称之为模式动物

2、。 关键词：斑马鱼；猪；基因；表达；通过发育生物学及相关学科的学习，我们了解到了模式动物在生命科学的发展历程 中起到了可以说是举足轻重的作用，比如说 通过海胆等低等动物模型的构建催生出现代受精生物学和发育生物学；又比如像果蝇模型的建立大大推进了遗传学和发育生物 学的进展；酵母和大肠杆菌作为生物模型为现代分子生物学和基因工程技术提供了施展的舞台，线虫模型对基础和应用生物学产生了巨大的推动作用，并直接导致了细胞凋亡现象的发现 ，并开创了一个当代生物医学的全新领域。这些研究成果已经充分证 明了模式动物在生命科学研究中的作用。通过查阅近几年来人们关于模式动物的研究进 展，我总结了以下几点近几年来关于模

3、式动物上的具有典型性的突破，仅供大家参考。、关于斑马鱼的研究Pitx2基因在斑马鱼牙齿发育过程中早期表达的研究人类Pitx2基因与常染色体显性疾病里格尔综合征的发生有关联，可导致牙齿和眼睛的缺陷。斑马鱼的牙齿和人类的牙齿有很多相似之处，其牙齿位于腮弓之上，牙齿发育可明确分为蕾状期、帽状期、钟状期和分泌期等各个阶段，这些特点使得利用斑马鱼作为模式动物研究牙发育和牙再生具有较大优势经调查发现，小鼠的牙成型之前，Pitx2基因在整个牙齿发育过程中在成牙上皮中持续表达，在牙发育的过程中伴有至关重要的角色。而斑马鱼被公认是一种理想的研 究器官发育分子生物学机制的模式动物。科学 家在对小鼠的胚胎发育 研究

4、中发现，Pitx2基因活性的缺失会导致Fgf 8在牙上皮中的向下调节，也就是说 P itx2和Fgf8之间存在正向的反馈回路，同时Pitx2还是Bmp4信号通路的一个受体。Pitx2敲除的小鼠牙齿发育中断于蕾状期。还有研究发现牙齿的发育与P itx2的量有密切的关系。实验结果显示，P itx2基因在人发育中的牙胚的表达模式与在小鼠中类似。不论是切牙还是前磨牙，Pitx2基因的表达都只能在牙上皮的蕾状期后期、帽状期和钟状期检 测到。在分化良好的牙，Pitx2基因的表达受到成釉细胞的限制。这些结果显示，P itx2基因在人类牙齿牙上皮的发育过程和釉质分化过程中起一定作用。另一方面，为研究 Pitx

5、2基因在斑马鱼牙齿早期发育阶段的表达，本实验利用RT-PCR技术直接克隆P itx2特异性基因片段，成功制作出针对P itx2的基因探针，并选取斑马鱼发育早期多个时段的胚胎进行整胚原位杂交，获得P itx2基因在斑马鱼早期发育阶段的表达情况。这对于人们对Pitx2基因的研究更进一步。斑马鱼及其胚胎在毒理学研究中的应用斑马鱼除了在发育生物学和分子遗传学中已得到广泛应用，但近几年来它在毒理学中的应用也逐渐被人们发觉。为了鉴定外源物质的毒性，我们需要分析斑马鱼毒理学终点和外源化学物质剂量的相关性，通过确定其毒物作用动力学，从而阐明其毒理学机制。目前，斑马鱼胚胎的许多特征吸引了毒理学家的研究兴趣，尤其

6、是胚胎的透明性及体外发育的特点使我们比较容易地评价胚胎毒性及畸形效应。现阶段，研究人员主 要就急性毒理表型分析、转录组水平分析、蛋白质组学分析这3方面来评价化合物对斑马鱼胚胎影响，在德国，斑马鱼胚胎已经作为水质检测的标准模式生物，代了传统上用成鱼进行的毒理学试验。就拿蛋白质组水平为例，蛋白质组的试验方法更为复杂，得到稳定的全蛋白之后，需要结合双向聚丙烯酰胺凝胶电泳、软件的自动分析及质谱技术来进行分析。在斑马鱼胚胎蛋白质组学研究中一个有突破意义的进展是L ink等2建立了一个详细的试验操作指南，包括斑马鱼早期胚胎卵黄蛋白的去除，斑马鱼胚胎全蛋白的提取等，依此可得到高分辨率的双向电泳图谱。结合转录

7、组和蛋白质组技术，人们在分子水平上会对一个生物有机体（或一个器官）如何应对外界毒物刺激有一个整体印象。和成年哺乳动物相比，正在发育中组织的蛋白质组分析，呈现出了整个生物系统的变化，包括生理学、形态学等等。人们预期，这种可变性能很好地在分子水平上反映出发育中的斑马鱼胚胎在毒理蛋白质组学中的应用。Shi等3研究发现在暴露于于0.5mg /L PFOS发育192h的斑马鱼胚胎中，利用蛋白质双向电泳和质谱技术，鉴定了 69个差异表达量超过2倍的蛋白，通过质谱技术鉴定了 18个蛋白。这些蛋白参与了细 胞多种生命过程，包括能量代谢、脂质代谢、信号转导及细胞凋亡等。进一步证实了在斑马 鱼胚胎中，利用蛋白质组

8、技术分析环境中有毒物质毒理机制的可行性。斑马鱼在人类疾病研究中的应用通过查阅相关资料我们了解到，斑马鱼的神经中枢系统、内脏器官、血液以及视觉系统， 在基因水平上87%与人类同源，早期发育与人类极为相似，已成为研究相关疾病基因的最佳 模式生物。在国际上，斑马鱼模式生物的使用正逐渐拓展和深入生命体的多种系统的发育、 功能和疾病的研究中，并已用于小分子化合物的规模新药筛选。阿尔茨海默氏阿尔茨海默氏（AD）是一种由于大脑神经细胞死亡而造成的神经退行性疾病。曾有人研究了过量表达A B与神经退行性病变的关系。A 3由APP连续性切割产生，由y分泌酶介导的最后一次酶切来决定其长度，参与这次酶切主要有早老素复

9、合物、早老素增强子（pen- 2）和前咽缺陷子（Aph- 1 ）等。Campbell等4在斑马鱼上使用反义 morpholi no （MO ）对斑马鱼的 Pen- 2、Psen1和Ph- 1基因的表达进行敲除，发现Pen- 2和P53依赖型神经细胞的存活有重要作 用。Lee和Co le 5采用绿色荧光蛋白（green fluoresce nt prote in, GFP）标记和原位杂交技术 对斑马鱼中编码APP的内源性基因即pb进行了研究。他们构建的 GFP转基因斑马鱼品系能够 在胚胎脉管系统发育过程、大脑亚区和脊髓中表达APP,并且在后期的发育中表达量增加。在2- 3个月龄的转基因斑马鱼的大

10、脑中，广泛大量表达GFP- APP。从另一个方面也证明了斑马鱼神经系统发育在进化上和人类的保守关系。肿瘤肿瘤是造成人类死亡的主要原因之一，由于斑马鱼早期胚胎和发育过程中的身体是透明 的，可以在体外进行实时观测5;它可以自发产生肿瘤，并且这些肿瘤与人类肿瘤非常相 似。因此，斑马鱼作为最有前途且最廉价的模式生物而被广泛的应用利用斑马鱼研究肿瘤的 血管生成是在肿瘤研究方面倍受关注的研究方向。经研究发现：免疫抑制剂麦考酚酸剂量依赖性抑制flk- GFP转基因斑马鱼节间血管的生长。还有人给斑马鱼的胚胎注射血管内皮生长因子（ VEGF） 后观察到其体内有明显的新血管生成。 由于已经有大量研究证实 , 肿瘤

11、的发生 和转移与血管的新生有密切的关系，这就启发人们可以通过阻断 VEGF抑制血管生成而治疗 肿瘤 6。先天性心脏疾病。崇梅7等人通过吗琳环寡聚核昔酸显微注射介导的翻译抑制,观察Tbx2基因阻抑胚胎的心脏发育的作用。发现,600枚Tbx2基因阻抑的斑马鱼胚胎受精后 8小后，27. 2%的胚胎 死亡, 24- 96小时出现轻、中、重度不同程度的心脏发育异常。从而证实了斑马鱼是研究心 脏发育的理想模式生物，Tbx2基因在房室特异性分化和房室管形成方面起了必要的作用超重环境对斑马鱼仔鱼早期发育和耳石形态学与化学组成的影响通过观察超重对斑马鱼发育的影响， 合理推测超重状态下航天员在太空的作业能力 ,

12、因 此是空间生物学研究中一个重要的方面。 而微耳石作为前庭系统的末端感受器 , 能感受重力 大小与方向的变化。本实验通过研究微耳石形态、微化学在超重环境下的发育变化, 揭示了耳石在超重环境下的沉积规律。通过超重环境对仔鱼和耳石生长的影响的实验我们总结出， 环境因素对斑马鱼早期仔鱼 的生长有明显影响。超重作为一种环境胁迫因子 , 在初期可能促进胚胎的发育和分化 , 以及 出苗后的快速生长。 随着卵黄的快速消耗 , 尚未完全发育的消化器官不能及时提供鱼体生长 所需营养 , 同时胁迫的累积效应加强 , 此时生长速度下降。此外，本实验观察到耳石出现融合的现象 , 并发现斑马鱼从鱼卵向早期仔鱼发育过程中

13、超重环境影响仔鱼发育，耳石形态在初期显著变大，后期耳石变小；而耳石中S和Sr含量升 高，Na和Ca的含量减少；另外超重处理诱导斑马鱼出现矢耳石与微耳石融合的现象。本结 果证实了仔鱼期斑马鱼前庭系统发育具有重力补偿的适应机制 ， 另外前庭系统的补偿机制 是通过耳石的不对称生长和钙的沉积变化实现的 8 。二、蜜蜂应用的相关进展我们知道， 蜜蜂属于社会性昆虫， 而社会昆虫是唯一与非社会昆虫相比具有更高水平复 杂性的昆虫 。在某些方面，蜜蜂与人类享有一些共性，比如劳动分工，复杂的通信系统，发 达的保卫和防御系统， 精妙的建筑等等 。由于有这些共性， 通过研究蜜蜂生物学可以深入了 解人类自身的一些生物学

14、特性 。例如人类有 “自闭症 ”的精神病，与社会交往的异常有关 。 而蜜蜂是高度社会化群体， 若对其行为进行深入的研究， 可为测定基因如何影响社会行为的 研究提供重要工具。此外， ，蜜蜂还可以用来研究老化与长寿的机制。 因为工蜂与蜂王的基因型相同， 但由 于幼虫时的食物不同， 引起基因表达的变化， 造成蜂王的寿命比工蜂长 100 多倍。研究蜂王 长寿的分子机制可以帮助人类提高寿命 。蜂群环境很适合病原菌的繁殖， 蜜蜂是如何抵抗细 菌性病原的？通过将蜜蜂基因组和其他昆虫（如蚊子和果蝇 ）的比较， 也许可以找出抗病的分子机制，从而增加人类对付疾病的知识 。此外，在蜜蜂的蜂毒中， 已发现有些成分可以

15、治疗 人的癌症，改善记忆 、睡眠等 。德国柏林自由大学动物学家兰道夫 -门策尔说，如果蜜蜂因某种行为得到了 1 次奖励， 它会记一个星期 。 如果因同一种行为得到过 3次奖励，它会终生不忘 。 利用蜜蜂的学习和记 忆能力，可以人为定向蜜蜂给大棚作物 、城市园艺等授粉，可以把蜜蜂培养成探测环境（农药、放射性元素或炸药 ）的生物探测器 。 蜜蜂也便于做遗传分析的模式动物，由于蜜蜂的卵 细胞从受精到发育成幼虫只有 3d 时间，因此细胞分裂 、生长都很快，利用蜜蜂卵观察动物 细胞的有丝分裂， 在制成的装片中非常容易找到各个分裂期的细胞 。且蜜蜂的卵较小， 一次只取一粒卵， 制成的装片需观察的范围小，

16、也减少了寻找的时间， 而且蜜蜂的繁殖基本不受 季节限制 9 。三、猪猪是最接近人类的模式动物 . 猪在心血管解剖结构和功能、 脂蛋白分布和大小、 肥胖倾 向性及种类习性方面 , 其表现型与人类高度相似 . 而且 , 它与人类在遗传学上也具有高度 相似性 , 特别是遗传决定的代谢相似性 . 这些相似性使猪作为最佳动物模型用于肥胖、糖尿 病、动脉粥样硬化、高血压、心血管疾病、酒精中毒、器官移植、运动、黑素瘤、肾病和视 网膜等疾病的研究 . 欧洲哥廷根小型猪已成为国际公认的最佳医用模式动物之一 . 目前作为 糖尿病、心脏病、高血压、帕金森氏症等重大人类疾病的动物模型和新药筛选模型 , 已经得 到包括

17、美国食品药品监督管理局 （ FDA） 在内的全世界医药管理机构的认可。 大量实验也已证明，糖尿病猪最后的发展转归和人类相同 , 均出现动脉粥样硬化 , 而啮齿类 和其他动物不会发生这样的转归 . 这使得猪成为研究高脂饮食诱导的肥胖、 型糖尿病及其 并发症 （ 动脉粥样硬化、心血管疾病等 ） 的最接近人类的模式动物 ，将猪通过基因人源化改 造后 , 能够批量生产出人类需要的细胞、组织、器官和血液 , 为人类开展异种器官移植提供 充足的供体材料 。四、新发现的几种特殊的模式动物透明樽海鞘 樽海鞘属于尾索动物亚门、海樽纲、海樽科。身体成扁桶状，几乎全身透明，两端开口，体 长一般在110 emo樽海鞘

18、滤食微小的浮游生物。它们从身体前端吸进海水从后端开口处 排出， 当水通过其粘膜的时候， 将可食用成分吸收到自己体内。 未被吸收的则以排泄小球的 形式排出体外1 。樽海鞘每天会向深海中释放很多排泄小球，这些排泄小球将零散的含 碳有机物聚集到一起向下沉降， 从而大大减少了这些含碳有机物被其他生物分解形成二氧化 碳的机会，有效防止这些碳重新进入大气圈。对于减少温室效应起到了重要的作用。透明鳄冰鱼鳄冰鱼属于脊索动物门、辐鳍鱼纲、鲈形目，因吻部形状似鳄，称之为鳄冰鱼。生活在 南极洲和南美洲南部的冰冷海水中，以磷虾、桡足动物及其他鱼类为食。整个身体除了粉红色的心脏之外，其他器官组织都是透明的，其血液呈透明

19、状。因血液透明，携氧明显减少， 它们主要利用皮肤直接从周围水中吸收氧气。由于水温越低，溶解氧气越多，所以透明鳄冰鱼所生活的冰冷的海水环境反而有利于满足它们对氧气的需求。1953 年美国科学家斯科兰德等人发现， 鳄冰鱼血液中， 除一定浓度的 NaCl 可以降低自 身的冰点，还存在着一种“抗冻”高分子物质。1970年，美国科学家德佛里斯等人发现 “抗 冻”高分子物质是一种糖蛋白，命名为“冰点下降糖蛋白质”（缩写为FPD糖蛋白质）。研究表明， FPD 糖蛋白质分子量越大，抗冻效果就越明显地增大，甚至可以达到NaCl 降低冰FPD 糖蛋白质降低冰点同时，对物质的熔点的效果的200500倍。此外，研究者

20、还发现, 点几乎没有影响。玻璃蛙分布在中美洲热带雨林的玻璃蛙属于瞻星蛙科，小附蛙属。体长23cm ,眼睛大而突出。通过半透明的皮肤， 能清晰地看到它的心脏、肝脏以及消化道。玻璃蛙卵成小堆产于溪流旁的植物上，蝌蚪孵化后掉入水中，再钻入溪流底层的泥土中。它们的数量多少反映出整所以它们能提供有关个环境状况的好坏。由于透明身体使自己更为直接暴露于自然环境中， 环境退化和气候变化影响的早期警示，不过现在数量极其稀少。参考文献：Pitx2 基因在斑马鱼牙齿发育过程中早期表达的研究 李谨 王涛 王娟 詹瑧 口腔医学 2010-03Link V, Shevchenko A, H eisenberg CP. Proteom ics of early zebrafish embryos.BMC Dev B io,l 2006, 6-1.ShiX, Yeung LWY, Lam PKS, eta.l Protein p rofiles in zebrafish(Danio rerio) em bryos exposed to perf luorooctan e su lfonate. Tox icol Sci 2009, 110(2) : 334-40.Cam pbe llWA, YangHW,Zetterberg H, et a.