浅析发育生物学研究中的模式动物

/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，不仅能回答最差不多的生物学问题，对人类的疾病治疗也有借鉴意义。近年来随着分子生物学、发育生物学的进展及功能基因组打算的开展，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、研究优势及进展等，进而简要阐述了模式生物在今天生命科学进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：在生物学进展之初，人们发觉假如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能够得到部分解答。因为这些生物的细胞数量更少，分布相对单一，变化也较好观看。同时由于进化的缘故，细胞生命在发育的差不多模式方面具有相当大的同一性，因此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觉共同的形态形成和变化特征时，就能够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生殖，世代周期短，形态结构相对比较简单，生殖系数高（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刻的考虑；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差不多规律。目前一些物种被大伙儿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进展有举足轻重的作用。早在一八七五年，奥斯卡‧赫特维格（OscerHertiwig,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（HansDriesh,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，结果发觉，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，因此模样尽管看起来原始，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。而测序的结果分析表明海胆与人类有许多相似基因，然而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（Drosophilamelanogaster）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，并进展出一系列的有效技术。2000年，果蝇的全基因组测序差不多完成，全基因组约165Mb（WanYQ，2006）。果蝇体型小，体长不到半厘米；饲养治理容易，既可喂以腐烂的水果，又可配培养基饲料；一个牛奶瓶里能够养上成百只。果蝇生殖系数高，孵化快，只要1天时刻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，一年就能够生殖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看、计数就行了，从而使得劳动量大为减轻。且果蝇与人类在躯体发育、神经退化、肿瘤形成等的调控机制，都有特不多相通处，许多人类的基因在果蝇身上也有，甚至功能能够互通。生命周期快，生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。然而现代果蝇研究差不多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如何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，本文仅就个不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:为了推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缘故，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，如此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，果蝇就能够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”，一旦那个T图形进入了果蝇视觉感受野正前方的90度象限，果蝇就赶忙受到由计算机在线操纵的“热击”的惩处。果蝇赶忙用自身扭矩操纵飞行方向，躲避惩处，使得另一个图形进入果蝇视觉正前方的90度区域，“热击”就赶忙被计算机关断，果蝇通过若干次反复，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。先训练果蝇喜爱绿色的正置T形，而厌恶蓝色的倒置⊥。然后改变图形使其形状相同，发觉果蝇会依照颜色选择绿色图形，而回避蓝色图形。或者消去原有图形的颜色，发觉果蝇会选择T图形而回避⊥图形。这证明果蝇在训练中差不多同时猎取了有关色彩和图形的知识。

然后研究人员让这些通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，发觉：正常的野生型果蝇（WTB）能够依照线索强度对比变化，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年蘑菇体的发觉者曾经猜想它是果蝇脑内产生“自由意志”和实施“智能操纵”的地点。实验中，科学家们发觉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年蘑菇体的发觉者的猜想，起着一种补充的作用。

那个发觉对人类的意义现在还不行讲。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，尽管尚无迹象表明该基因阻碍人的性取向。尽管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阻碍性倾向那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，进而查找新的治疗途径。研究人员发觉，果蝇的大脑中也存在着操纵胰岛素产生的细胞。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，果蝇大脑中操纵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，这与人类的胰岛操纵胰岛素进入血液的过程有些类似。因此，科学家们希望关于“糖尿病果蝇”的研究能够对人类糖尿病的治疗和预防有所关心。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，被认为关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。尽管果蝇与人类相差悬殊，但该模型却能专门好地重现人类帕金森氏症的要紧特征。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，人们能够通过对果蝇的研究加深对神经疾病的了解，并由此发觉根治帕金森氏症的方法。挖掘果蝇过去百年的实验生命，差不多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，否则可不能有人进行那样的探究。但人们却一直在不懈地探究着，本文作者没有什么不得目的，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(Daniorerio)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GeorgeStreisinger注意到斑马鱼的优点，并开始研究其养殖方法、胚胎发育等，并进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（StreisingerG，1981）。到20世纪90年代初，德国发育生物学家ChristineNusslein－Volhard以及美国哈佛大学的WolfgangDriever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（DrieverW，1996）。斑马鱼显著优势在于体积小，可在较小的空间大量生殖；产卵量高(每周200多个)发育快，许多组织在受精后24h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看。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，在胚胎发育过程中能够全程观看和研究其心脏发育及血液流淌状态。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，精子能够冷冻保存，所有这些特点使斑马鱼特不适合于遗传学的研究．高速生殖有利于基因筛选，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。特不在母体产生的因子(如蛋白质和mRNA)对启动胚胎发育的阻碍、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（Caenorhabditiselegans）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，为探究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（BrennerS.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，躯体为半透明，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，同时易于追踪。又因为线虫仅有一千多个体细胞，因此它的所有细胞都能够澈底地观看研究，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能够产卵的成虫，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，就能够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。假如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，但在实验室里能够用热激的方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不特征，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能够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能够保持了。事实上，秀丽线虫能够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，假如蝇和小鼠等所不具备的。2.模式生物关于发育生物学的意义：模式生物的研究是人类基因组打算的一个重要组成部分,是人类基因组打算的必要的补充,这对人类基因组打算的研究有专门大的促进作用。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、生物学的研究在专门大程度上依靠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预备。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,积存实验进展模式,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（特不是遗传性疾病）的预防、诊断、治疗以及新药开发等方面也有专门广泛的应用前景。如：把某些病原体的抗原或毒素基因转入一般的食物或水果中,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、更广泛的阻碍，现在差不多开始对植物的遗传物质进行修饰，这一成果差不多和正在对人类社会产生巨大的阻碍。全世界绝大部分的食物、燃料、纤维、化学原料和部分药物今后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、