模式生物專題

一、緒言模式生物－－概念作為實驗?zāi)Ｐ鸵匝芯刻囟ㄉ飳W(xué)現(xiàn)象的動物、植物和微生物。選擇：位于生物復(fù)雜性階梯較低級位置上的生物－相對簡單：細(xì)胞數(shù)量更少、細(xì)胞分布相對單一。進化－細(xì)胞生命發(fā)育基本模式－具同一性：共同形態(tài)形成和變化特征。選擇：方便和可行地來研究生命活動的基本規(guī)律和人類自身生理病理的過程的生物有別于研究主體；研究它得到的結(jié)論，可適用于其他生物。模式生物－－特點有利于回答研究者關(guān)注的問題，能夠代表生物界的某一大類群；對人體和環(huán)境無害，容易獲得并易于在實驗室內(nèi)飼養(yǎng)和繁殖；世代短、子代多、遺傳背景清楚；容易進行實驗操作，特別是具有遺傳操作的手段和表型分析的方法。模式生物－－常用病毒……………….噬菌體(Bacteriophage)細(xì)菌………………大腸桿菌(Escherichiacoli)真菌……………….釀酒酵母(Sacharo．myces

cerevisiae)，腔腸動物門…........秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis

elegans）節(jié)肢動物門…........家蠶（Bombyx

mori

）棘皮動物門……....海膽（Echinoidea）兩棲綱……………非洲爪蟾（Xenopus

laevis

）昆蟲綱……………黑腹果蠅(Drosophilamelanogaster)魚綱………………斑馬魚(Danio

rerio)哺乳綱……………小鼠(Mus

musculus)植物………………擬南芥(Arabidopsisthaliana)、水稻Rice(OryzasativaL.)動物界植物界真菌界原核生物界微生物（+原生生物界＝五界系統(tǒng)）[海膽]seaurchin最早----被使用（模式生物）主用----早期發(fā)育生物學(xué)(受精,早期胚胎發(fā)育).奠定----現(xiàn)代發(fā)育生物學(xué)第一塊觀念里程碑1891年,HansDriesh(1876－1941)顯微鏡下把剛剛完成第一次卵裂的海膽胚胎一分為二發(fā)現(xiàn)分開后的兩個細(xì)胞各自形成了一個完整幼蟲證明了胚胎具有調(diào)整發(fā)育的能力[小鼠]mus

musculus,mouse屬于----哺育綱嚙齒母鼠科小鼠屬研究歷史1902年--哈佛大學(xué)Castle開始小鼠的遺傳學(xué)研究，并對小鼠遺傳和基因變化進行了系統(tǒng)分析。1982年--首報轉(zhuǎn)基因鼠1998年--在克隆羊Dolly羊出生后1年，克隆小鼠在夏威夷誕生2002年--小鼠基因組全序列測序完成2005年--大規(guī)模的基因刪除研究開始在美國、歐盟和加拿大實施（LinZY，2006)。研究優(yōu)勢哺乳動物----與人的親緣關(guān)系比較近（相對）長期研究----培養(yǎng)了大批的實驗人員建立體系----了廣泛地實驗體系，如基因陷阱、化學(xué)誘變、基因定向突變等（LinZY，2006)。[黑腹果蠅]fruitfly特點繁殖迅速----14天繁殖一代染色體巨大----易基因定位一套基因----控制了體節(jié)(14個體節(jié)構(gòu)成完全對稱的軀干)從上到下的發(fā)生過程這套基因-----普遍存在于從昆蟲到人的基因組中,是決定機體左右對稱布局形成的最基本因素主用----遺傳和發(fā)育研究模式生物研究優(yōu)勢生物學(xué)方面---長期研究積累--很多關(guān)于果蠅的知識和信息制備--了大量的分布于數(shù)以千計的基因中的突變體果蠅還有很多攜帶便于遺傳操作的表形標(biāo)記、分子標(biāo)記或其它標(biāo)記的特征染色體，這些工具使得進行大規(guī)?；蚪M篩選分離一系列可見或致死表型，甚至可以分離那些只在突變個體的第二或第三代才表現(xiàn)的表型。在技術(shù)方面---發(fā)展一些有效技術(shù)（現(xiàn)在還只能應(yīng)用于果蠅）如：增強子陷阱技術(shù)、定點同源重組技術(shù)、雙組分異位基因表達系統(tǒng)、嵌合體分析技術(shù)及基因定點敲除技術(shù)等（AdamsMD，2002)主要研究領(lǐng)域生物學(xué)方面早期主要----用闡明真核生物遺傳學(xué)基本原理與概念廣泛應(yīng)用----于發(fā)育生物學(xué)研究如胚胎發(fā)育（Nusslein-VolhardC，1980）各種器官的形成（LengyelJA，2002）神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育和高級神經(jīng)活動與行為機制等（GuoJZ，2005）人類疾病研究研究較多----神經(jīng)退行性疾病包括帕金森?。‵eanyMS，2000）、阿爾茲海默?。╕eYH，1999）、多聚谷胺酰胺?。⊿teffanJS，2004）以及脆弱X綜合癥（ZhangYQ，2001）等另外腫瘤、心血管疾病、線粒體病等的研究模型[秀麗隱桿線蟲]

nematode,Caenorhaditis

elegans模式生物研究優(yōu)勢通身透明,長不過1mm生命周期短----3.5天身體細(xì)胞歸類幼蟲:556個體細(xì)胞,2個原始生殖細(xì)胞雌雄同體成蟲:959個體細(xì)胞,2000個生殖細(xì)胞雄性成蟲(偶見):1031個體細(xì)胞,1000個生殖細(xì)胞繁殖大量----一生可產(chǎn)約300粒受精卵自然條件下是雌雄同體細(xì)胞凋亡----固定的發(fā)育時間和固定位置消失發(fā)育全部1090個細(xì)胞中，有131個細(xì)胞以一種不變的方式死亡（一定的細(xì)胞個數(shù)以及固定的細(xì)胞凋亡雜交實驗----自然條件或誘導(dǎo)下進行可產(chǎn)生雄性個體來進行雜交實驗-----在遺傳學(xué)研究方面有著無可比擬的優(yōu)勢實現(xiàn)基因?qū)?---線蟲浸泡含有核酸溶液主要研究領(lǐng)域細(xì)胞生物學(xué)方面一生中12％細(xì)胞細(xì)胞凋亡而消失，其80％在胚發(fā)育階段突變個體研究證明（構(gòu)建基因之間的雙缺失突變體或進行轉(zhuǎn)基因分析）----凋亡基因通過遺傳組成一條線性的調(diào)控途徑以控制細(xì)胞凋亡（HorvitzHR.2002）遺傳調(diào)控途徑為：egl－1→ced－9→ced－4→ced－3，其中ced－9和ced－3的基因產(chǎn)物分別對應(yīng)于哺乳動物的凋亡抑制因子Bcl－2和執(zhí)行凋亡的一類酶——caspase。

RNAi及其作用機制---生命科學(xué)重大貢獻RNAi的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)始于三十年前，當(dāng)時人們發(fā)現(xiàn)反義RNA可以抑制內(nèi)源性mRNA的翻譯（FireA，1998）RNAi及miRNA的發(fā)現(xiàn)為疾病治療提供了潛在地新手段。RNA

干擾（RNAinterference，RNAi）是與靶基因序列同源的雙鏈RNA(dsRNA)所誘導(dǎo)的一種特異性基因沉默現(xiàn)象。它是真核生物中存在的一種抗病毒入侵、抑制轉(zhuǎn)座子活動、調(diào)控基因表達的監(jiān)控機制，具有重大生物學(xué)意義[酵母]yeast單細(xì)胞生物可在基本培養(yǎng)基上生長,可完全控制其生長（改變物理或化學(xué)環(huán)境）單、二倍體狀態(tài)下均可生長實驗條件下控制單倍體和二倍體之間轉(zhuǎn)換=利于研究基因功能31%編碼蛋白質(zhì)的基因或ORF與哺乳動物編碼蛋白質(zhì)的基因有高度的同源性[斑馬魚]zebrafish最常用模式低等脊椎動物模式生物研究優(yōu)勢生物學(xué)產(chǎn)卵多,繁殖迅速體外受精，胚胎在體外發(fā)育并且透明易于觀察和操作----進行胚胎發(fā)育機理和基因組研究的好材料受精卵直徑約1mm，便于----顯微注射和細(xì)胞移植技術(shù)上進行細(xì)胞標(biāo)記和細(xì)胞譜系跟蹤（同線蟲和果蠅）進行胚胎的細(xì)胞移植（同爪蟾一樣）基因水平----轉(zhuǎn)基因技術(shù)、基因過量表達技術(shù)、隨即及靶基因定向誘變等（SunZH，2006)。

主要研究領(lǐng)域生物學(xué)研究母體啟動的因子對啟動胚胎發(fā)育的影響、體軸的形成機制、胚層的誘導(dǎo)與分化、胚胎中細(xì)胞的運動機制、神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育、器官的形成、左右不對稱發(fā)育、原始生殖細(xì)胞的起源和遷移等（WilsonSM，2004）人類疾病模型斑馬魚突變體類似于人類疾病（SunZH，2006）sau突變體類似于人ALAS－2基因突變引起的先天性鐵粒幼紅細(xì)胞性貧血癥yqu突變體與人的紅細(xì)胞卟啉癥類似gridlock突變體類似于人類的先天性動脈血管收縮癥等[擬南芥]Arabidopsisthaliana屬于：十字花科（同白菜、油菜、甘藍等），無經(jīng)濟價值研究歷史1943年—Laibach：詳細(xì)闡述了擬南芥作為模式生物的優(yōu)勢，并促成了1965年在德國召開的一屆國際擬南芥會議1986年--Meyerowitz實驗室：首報道了對擬南芥一個基因的克?。–hangC，1986)1988年：發(fā)表了擬南芥基因組的首個RFLP圖譜，之后幾年，相繼報道T－DNA插入突變基因的克隆、基于基因圖譜的基因克隆等2000年：完成了基因組全序列的測序工作（TheArabidopsisGenomeInitiative.2000），第一個被完整測序植物主研究領(lǐng)域發(fā)育生物學(xué)研究植物形態(tài)建成研究：主在花發(fā)育的ABC模式A、B、C分指控制不同花器官發(fā)育的三類基因（BowmenJL，1991)。三類基因的表達產(chǎn)物各自決定的花器官位置，分布于相應(yīng)的區(qū)域。某個基因發(fā)生突變后，它所控制的區(qū)域則會發(fā)育出其他類型的花器官。根、莖、葉、胚胎和種子的發(fā)育也進行深入的研究分子生物學(xué)研究----熱點：miRNA研究為完整認(rèn)識高等生物中的miRNA生物合成過程提供了有價值的信息成熟的miRNA是僅含有19－23個堿基的核苷酸，可以通過堿基配對與一些基因的mRNA結(jié)合，在一些酶的共同作用下破壞與之結(jié)合的mRNA或干擾mRNA的翻譯（BartelDP.2004）。在擬南芥中，參與加工miRNA初始轉(zhuǎn)錄本的除了SCL1和HYL1之外，還有一個必需蛋白SERRATE（SE）。在miRNA的生物合成過程中還有一個重要的蛋白HEN1（ParkW，2002)。這兩項研究[家蠶]有可能成模式生物研究歷史中國養(yǎng)殖----5000多年歷史十九世紀(jì)中后葉----法國.巴斯德:以家蠶作為主要研究生物，發(fā)表著名“疾病生源論”理論，為現(xiàn)代西方醫(yī)學(xué)基石之一隨后----昆蟲的病原研究方面一直處于領(lǐng)先地位作為模式生物優(yōu)勢飼養(yǎng)方法成熟+有培育品系=馴化程度高基因組全序列已經(jīng)測定完畢（XiaQY，2004）分子水平研究與其他模式生物不存在代差獨特優(yōu)勢可按需要隨時飼養(yǎng)任何發(fā)育時期的家蠶，且可獲得大量發(fā)育同步的個體家蠶的卵----對家蠶發(fā)育的控制非常有利有滋育和非滋育兩種：非滋育卵孵化期僅10天左右；滋育卵的孵化期達10個月滋育卵幾乎可以隨時解除滋育進行孵化吐絲結(jié)繭，以分泌蛋白方式排泄體內(nèi)過量的氮元素----生物界一種比較特殊現(xiàn)象研究空間探索人工馴化對生物進化影響（對比家蠶和野桑蠶）如飛翔問題：未馴化的野桑蠶可以飛翔，而馴化家蠶已經(jīng)喪失這些能力。同樣在已經(jīng)馴化的飛禽方面也存在這樣的問題理想生物反應(yīng)器----生產(chǎn)人類有用的高純度藥用蛋白質(zhì)絲腺-----高效率蛋白質(zhì)工廠---通過基因組研究，解明繭絲生