模式生物：生命研究中的明星(doc 8頁).doc

1、生命研究中的明星模式生物李璐冰 2009044020123河北農(nóng)業(yè)大學生命科學學院生物科學0901班，河北 保定 071000摘要：模式生物在現(xiàn)代生命科學研究中有著舉足輕重的地位，特別是隨著功能基因組計劃的開展，數(shù)種生物的基因組序列已經(jīng)獲得，模式生物在遺傳學、功能基因組學、分子生物學、發(fā)育遺傳學以及對人類疾病機理模型的研究中被廣泛應用。本文主要以微生物大腸桿菌、植物擬南芥和動物斑馬魚這幾種經(jīng)典的模式生物為例，介紹了模式生物的概況。 關(guān)鍵詞：模式生物，功能基因組學，分子生物學，發(fā)育遺傳學正文：模式生物（Model organism）是人們研究生命現(xiàn)象過程中長期和反復作為實驗模型的動物、植物和微生

2、物，通過對這些物種的科學研究來揭示某種具有普遍規(guī)律的遺傳現(xiàn)象，模式生物的種類有很多，如果蠅、小鼠、擬南芥、大腸桿菌等，主要應用于遺傳學和發(fā)育遺傳學早在二十世紀初期，人們就發(fā)現(xiàn)，如果把關(guān)注的焦點集中在相對簡單的生物上，則發(fā)育現(xiàn)象難題可以得到部分解答。因為簡單生物的細胞數(shù)量少，分布相對單一，更容易進行實驗操作，變化也較好觀察。由于生物進化的原因，生物在發(fā)育的基本模式方面具有很大的相似性，許多生命活動的方式在不同物種的生物見具有同一性，這是通過模式生物來研究更復雜生物的方法可以有效并成功的基礎(chǔ)。尤其是當在有不同發(fā)育特點的生物中發(fā)現(xiàn)共同形態(tài)形成和變化特征時，發(fā)育的普遍原理也就得以建立。因此對模式生物的

3、研究可以幫助探索和理解生命的一般規(guī)律，在生命研究中有著舉足輕重的地位。1987年美國國立衛(wèi)生院研究所（National Institute of Health）和美國能源部（Department of Energy）聯(lián)合提出了“人類基因組計劃（Human Genome Project）”,除了對人類基因組的測序，還包括有黑猩猩、小鼠、大鼠和河豚魚等，以及豬、牛、狗、兔、雞、斑馬魚、文昌魚、海膽、蜜蜂、十幾種果蠅、數(shù)種線蟲、30余種真菌等。這些重要代表物種不僅涵蓋了生命進化過程中的各個主要環(huán)節(jié)，也包括了與人類生物醫(yī)學研究相關(guān)的幾乎所有物種。而且這個物種范圍還在不斷增加，各個計劃完成的時間也在不斷

4、加快。而要研究認識人體基因的功能，了解人類生理和病理的過程無法直接將人作為實驗對象。但地球上的所有生物都是從共的祖先演化而來的，所以對生命活動有重要功能的基因在進化上是相對保守的，即若要研究的物種本身不易于研究，則這些要研究的基因的結(jié)構(gòu)和功能可以在其他合適的生物中研究，因此人類的生理和病理過程也可以選擇合適的生物進行模擬。由于模式生物在生命研究中的重要性，對于模式生物的研究已經(jīng)成為關(guān)注的焦點。目前HGP已揭開了新的一頁，功能基因組學的研究，即從基因組與環(huán)境的相互作用的高度來闡明基因組的功能，通過對進化不同階段的生物體基因組序列的比較，發(fā)現(xiàn)基因組結(jié)構(gòu)組成和功能調(diào)節(jié)的規(guī)律，并利用模式生物體的基因敲

5、除和轉(zhuǎn)基因來揭示基因的功能。為了順利完成人類基因組計劃特別是功能基因組計劃，開展一些模式生物基因組的研究是必要的，于是相繼啟動了模式生物基因組計劃(model organism genome project)如大腸埃希菌、流感嗜血桿菌、釀酒酵母、秀麗線蟲、果蠅、擬南芥、小鼠等的基因組研究計劃。隨著科學的發(fā)展，模式生物的范圍將會不斷的擴大，將會有新的物種作為模式生物而被研究，如二穗短柄草就是近年才作為模式生物被眾多人所熟知。但作為模式生物，都會有一些基本的共同點：1）有利于回答研究者關(guān)注的問題，生理特征能夠代表生物界的某一大類群； 2）實驗材料容易獲得并易于在實驗室內(nèi)飼養(yǎng)和繁殖，研究維持費用低；

6、3）世代短、子代多、遺傳背景清楚； 4）對人體和環(huán)境無害；5）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。1.幾種經(jīng)典模式生物的概況11 大腸桿菌大腸桿菌（Escherichiacoli，E.coli）是寄生于人或其他哺乳動物腸道內(nèi)的細菌，革蘭氏陰性短桿菌，為需氧或兼性厭氧菌，大小0.513微米，周身鞭毛，能運動，不形成芽孢或莢膜。在瓊脂培養(yǎng)基上形成圓形、光滑、白色的菌落。由于取材廣泛，分裂增殖能力強、發(fā)育周期短以及結(jié)構(gòu)簡單的特點，已作為一種重要的模式生物，在近代生命科學研究尤其是在分子遺傳學及生物工程領(lǐng)域起著尤為重要的作用。在1997年組全序列測序完成, 基因組全長約為5Mb

7、，有4 288個基因,62%的基因功能已經(jīng)闡明。另外在核區(qū)之外還有一種能夠進行自我復制的環(huán)狀雙鏈DNA分子，為細胞核外遺傳物質(zhì)，稱為質(zhì)粒。有事質(zhì)粒還可以整合到核DNA中，而大腸桿菌在失去質(zhì)粒后代謝功能不受影響，因此常用質(zhì)粒作為重組的載體。1.1.1 大腸桿菌常用于基因突變的研究誘變劑例如、烷化劑等可使野生型大腸桿菌發(fā)生突變，從而產(chǎn)生突變型。常見的突變型有兩種：合成代謝功能的突變型，這種突變會導致菌體內(nèi)某些代謝失衡，無法在基本培養(yǎng)基上存活，多為條件致死突變。這種突變型主要用于研究該突變基因的具體功能，對其進行定位；分解代謝功能的突變型，野生型大腸桿菌能通過一系列的酶把復雜的糖類降解為簡單糖類。而

8、當決定某種酶合成的基因發(fā)生突變猴，就產(chǎn)生相應的突變型。通過選擇培養(yǎng)基對突變型進行篩選，然后與野生型大腸桿菌基因組進行對照，即可獲得該突變基的相應堿基順序，為更好地了解某些基因的位置和功能奠定了基礎(chǔ)。1.1.2 大腸桿菌也是有性別決定性別的主要因素是一種質(zhì)粒F因子。在現(xiàn)代基因工程研究中把質(zhì)粒作為目的基因的載體是因為，通過F因子進行遺傳物質(zhì)的傳遞大大提高了遺傳物質(zhì)重組的概率。另外科學家通過F因子與大腸桿菌染色體某些基因進行重組，形成轉(zhuǎn)移頻率很高的Hfr菌株，并提出了中斷雜交作圖法，可以對大腸桿菌的部分基因進行定位。1.1.3 大腸桿菌與原核生物基因表達調(diào)控的研究原核生物在不同的細胞周期需要不同的基

9、因產(chǎn)物，在不同的環(huán)境條件下也需要不斷的調(diào)控各種基因的表達以適應環(huán)境。而大腸桿菌作為一種突變型多結(jié)構(gòu)簡單、世代短、易培養(yǎng)的原核微生物，早在四十年前已被科學家用來研究大腸桿菌乳糖代謝突變型的調(diào)控基因作用，是最早研究蛋白質(zhì)表達的最簡單的原核微生物。1.1.4 大腸桿菌作為生物工程菌的應用通過研究，發(fā)現(xiàn)在大腸桿菌內(nèi)有多種酶：RNA聚合酶、DNA聚合酶、連接酶、限制性內(nèi)切酶等，可以作為生物工程酶的來源；質(zhì)粒是把外源基因?qū)胧荏w細胞使之得以復制和表達的載體，而大腸桿菌菌體內(nèi)有這種質(zhì)粒，因而大腸桿菌是基因工程中質(zhì)粒載體的重要來源；重組技術(shù)，是將外源目的基因轉(zhuǎn)入某種質(zhì)粒載體，然后通過載體轉(zhuǎn)入受體細胞，之后受體

10、細胞大量增殖形成無數(shù)“克隆”，即大腸桿菌不僅可以提供載體，也同時可以作為分子克隆中的受體。1. 擬南芥擬南芥（Arabidopsis thaliana）屬十字花科，與白菜、油菜、甘藍等經(jīng)濟作物同屬一科。擬南芥本身并沒有明顯的經(jīng)濟價值，但由于其具有其他植物無法替代的特點，擬南芥是一種著名的研究有花植物的遺傳、細胞、發(fā)育、分子生物學研究的模式植物。擬南芥的全基因組測序工作在2000年完成，是植物界第一個被完整測序的物種。擬南芥的基因組很小，5條染色體總共含有1.15億個堿基對，盡管基因組與其它植物相比很小，但基因在功能上卻和其它開花植物相似，因此擬南芥作為實驗材料有利于其基因的克隆和飽和突變體庫的

11、建立。1.2.1 擬南芥的特點擬南芥作為模式生物，具有其它植物無法替代的優(yōu)點：擬南芥的生長周期短，從發(fā)芽到種子成熟僅需要6周，且產(chǎn)生子代多；基因組小，125Mbp，僅有5條染色體，1.15億個堿基對；具有雙子葉植物的所有特性,整個生命周期同樣經(jīng)過細胞的分裂、生長發(fā)育、分化、衰老、死亡等一系列生物學現(xiàn)象；在有限的空間內(nèi)可大量種植，體形小, 占地少，成熟植株一般15cm20cm 高, 蓮座葉長度不超過5cm；主要分布在溫帶，一般生長在野外干燥的土壤中，生活力強，易于實驗室內(nèi)人工種植培養(yǎng)；有效的農(nóng)桿菌介導轉(zhuǎn)化途徑,易獲得大量的突變體和基因組資源。這些優(yōu)點都使得擬南芥成為一種特別理想的遺傳學和分子生物

12、學的研究材料。1.2.2 植物形態(tài)建成研究經(jīng)典的例子是花發(fā)育的ABC 模型。在結(jié)構(gòu)上，擬南芥的花與大多數(shù)開花植物相似，由四輪基本的花器官組成：從外向里分別為花萼、花瓣、雄蕊及雌蕊。A、B、C 分別指的是控制不同花器官發(fā)育的三大類基因，其中A類基因決定了花萼的特征；A類+B類基因共同作用決定了花瓣特征；B 類+C 類基因共同作用決定了雄蕊特征； C 類基因單獨作用決定了雌蕊心皮的特征，同時也終止花器官在第四輪形成之后繼續(xù)分化。在野生型花器官中，這三類基因的表達產(chǎn)物大體按照它們所各自決定的花器官位置，分布于相應的區(qū)域。當其中某個基因發(fā)生突變之后，它所控制的區(qū)域則會發(fā)育出其他類型的花器官。A、 B、

13、C 三大類基因都編碼轉(zhuǎn)錄因子，在花原基的發(fā)育過程中會由外到內(nèi)被逐個激活，從而確保正確的花器官在準確的時期出現(xiàn)。擬南芥花發(fā)育中所使用的這套機制與動物發(fā)育中基因表達系統(tǒng)類似。另外，以擬南芥作為模式生物，可以對植物不同組織和器官的發(fā)育進行研究。通過大量擬南芥突變體的分析，對植物根、莖、葉、花、種子和胚胎的發(fā)育，對植物的抗病性和抗逆性機理，以及對各種生命活動有關(guān)的激素、光和由環(huán)境引起的信號轉(zhuǎn)導過程等進行深入的研究，幫助了人類對植物生命活動機理的認識與了解。1.2.3 miRNA的研究miRNA是高等真核生物中一類非翻譯RNA, 由基因組編碼，是高等真核生物中一類非翻譯RNA。miRNA前體的轉(zhuǎn)錄過程與

14、普通基因mRNA的轉(zhuǎn)錄過程基本類似。通過對擬南芥中miRNAm的研究發(fā)現(xiàn)miRNA在一些酶的參與下破壞與之結(jié)合的mRNA或干擾mRNA的正常翻譯，大多數(shù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的miRNA 都參與植物重要的生命活動，例如，植物的形態(tài)建成，RNA 誘導的基因沉默以及植物對于逆境的適應性等。近年來，通過對擬南芥的研究，發(fā)現(xiàn)了Drosha 的同源蛋白DCL1 (含RNA酶III結(jié)構(gòu)域)和Pasha的同源蛋白HYL1(RNA 雙鏈結(jié)合結(jié)構(gòu)域) 參與pri-miRNA的加工。而除了DCL1 和HYL1之外，參與加工miRNA初始轉(zhuǎn)錄本的還有另一個必需蛋白SERRATE(SE)，另外，還發(fā)現(xiàn)另一個重要的蛋白HEN1，它的

15、作用是保證了miRNA在細胞特定位置的穩(wěn)定性。以上研究結(jié)果為完整認識高等生物體內(nèi)imRNA生物合成過程提供了有價值的信息。1.3 斑馬魚斑馬魚（Danio rerio）是一種熱帶硬骨魚，成體長3-4cm，可大量繁殖，對水質(zhì)要求不高且具有許多優(yōu)點，特別是可以進行大規(guī)模的正想基因飽和突變與篩選，廣泛用于研究脊椎動物器官發(fā)育和人類疾病，同時在其它學科上的利用也顯示很大的潛力。斑馬魚發(fā)育快，成熟周期短；可以進行體外受精且胚胎透明，可直接在鏡下觀察；基因組中大約含有30000個基因，數(shù)目與人類相近，而且它的基因與人類的在許多地方存在對應的關(guān)系。斑馬魚的細胞標記技術(shù)、組織移植技術(shù)、突變技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、單

16、倍體育種技術(shù)、基因活性抑制技術(shù)等已經(jīng)成熟，且有數(shù)以千計的斑馬魚胚胎突變體，是研究胚胎發(fā)育分子機制的優(yōu)良資源，有的還可做為人類疾病模型，是功能基因組時代生命科學研究中重要的模式動物之一。1.3.1 斑馬魚用于人類疾病的研究斑馬魚的基因與人類的基因具有一定的同源性，其神經(jīng)中樞系統(tǒng)、內(nèi)臟器官、血液以及視覺系統(tǒng)的早期發(fā)育與人類相似，已經(jīng)成為研究人類相關(guān)疾病的最佳模式生物。而斑馬魚的胚胎是全透明的，易于實驗觀察，在顯微鏡下，可以直接觀察到心肌細胞和血細胞。通過對斑馬魚發(fā)育過程的研究，可以幫助認識人類發(fā)育過程和許多疾病的發(fā)病機理。在國際上，斑馬魚正在逐漸拓展和深入生命提得多種系統(tǒng)的發(fā)育、功能和疾病的研究中

17、，并已應用于小分子化合物的大規(guī)模新藥篩選。國內(nèi)與之相比還處于較落后的水平，需要積極推動和發(fā)展我國斑馬魚相關(guān)科學研究。1.3.2 斑馬魚與人類疾病模型神經(jīng)系統(tǒng)疾病。斑馬魚通體透明，眼睛大小占到大腦體積的二分之一以上，成魚晝夜節(jié)律明顯，對光反應強烈，因此斑馬在視覺領(lǐng)域應用的優(yōu)勢十分明顯。斑馬魚的嗅覺、聽覺器官都在體表可見，可以很容易地用行為學實驗的方法對嗅覺和聽覺功能進行檢測。腫瘤。斑馬魚可自發(fā)產(chǎn)生腫瘤，由于斑馬魚與人類在基因上有87%的同源性，故這些腫瘤與人類腫瘤十分相似。而斑馬魚透明的身體，更方便對其的實驗觀察。因此，斑馬魚作為最有前途和最廉價的模式生物而被廣泛應用。先天性心臟疾病。Tbx2具

18、有抑制胚胎心臟發(fā)育的作用，通過對斑馬魚胚胎的實驗發(fā)現(xiàn)大約四分之一的胚胎死亡，其它胚胎出現(xiàn)不同程度的心臟發(fā)育異常。證實了斑馬魚是研究心臟發(fā)育的理想模式生物，有助于研究人類心臟發(fā)育的過程。免疫疾病模型和感染疾病模型。斑馬魚具有完整的特異性免疫系統(tǒng)，體內(nèi)的T淋巴細胞和B淋巴細胞具有免疫活性，非特異性免疫系統(tǒng)也表現(xiàn)出與人類相似的特性。2.小結(jié)模式生物的種類遠遠不只這些，還有酵母、秀麗隱桿線蟲、果蠅、小鼠、爪蟾、海膽、二穗短柄草等，而隨著科學的不斷進步，還會有更多對人類科研有益的模式生物被發(fā)現(xiàn)和廣泛應用于各項生物研究。模式生物已經(jīng)在現(xiàn)代生命科學研究中起到了不可或缺的作用。但是，與國際的先進水平相比，我國

19、對于模式生物的研究才剛剛起步，與其他發(fā)達國家的研究水平還有很大的差距。不過我們可以學習他人研究材料、資源、信息和數(shù)據(jù)，積極推動和發(fā)展模式生物在我國生命科學研究中的廣泛應用。隨著分子生物學的飛速發(fā)展，以及越來越多物種的基因組被測序，許多生物都有可能成為很好的模式生物，經(jīng)典模式生物的數(shù)據(jù)庫不斷的完善將會加快對分子生物學的研究進展。有關(guān)模式生物的研究會為人類探索生命現(xiàn)象和生命調(diào)控機制做出更大的貢獻，幫助人類更好地認識和了解生命，了解自己。參考文獻：1王瀚。重要的模式生物- 大腸桿菌。生物學教學2008年（第33卷）第2期,57-58；2徐平麗，張傳坤，孫萬剛，單雷，李新國。模式植物擬南芥基因組研究進

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