淺析發(fā)育生物學(xué)研究中的模式動物

/發(fā)育生物學(xué)研究中的模式動物摘要：模式生物在生命科學(xué)研究中有重要的作用，不僅能回答最差不多的生物學(xué)問題，對人類的疾病治療也有借鑒意義。近年來隨著分子生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)的進(jìn)展及功能基因組打算的開展，模式生物的作用便顯得越來越重要。本文著重介紹了斑馬魚、秀麗線蟲及果蠅三種經(jīng)典模式生物的研究歷史、研究優(yōu)勢及進(jìn)展等，進(jìn)而簡要闡述了模式生物在今天生命科學(xué)進(jìn)展中的重要地位和推動生命科學(xué)及醫(yī)學(xué)進(jìn)步的不可替代的巨大潛力．關(guān)鍵詞：模式生物；發(fā)育生物學(xué)；引言：在生物學(xué)進(jìn)展之初，人們發(fā)覺假如把關(guān)注的焦點(diǎn)集中在相對簡單的生物上則發(fā)育的現(xiàn)象難題能夠得到部分解答。因?yàn)檫@些生物的細(xì)胞數(shù)量更少，分布相對單一，變化也較好觀看。同時(shí)由于進(jìn)化的緣故，細(xì)胞生命在發(fā)育的差不多模式方面具有相當(dāng)大的同一性，因此利用較低等級的物種來研究發(fā)育的共通規(guī)律是具有一定的可行性。尤其是當(dāng)我們在有不同發(fā)育特點(diǎn)的生物中發(fā)覺共同的形態(tài)形成和變化特征時(shí)，就能夠以此來建立發(fā)育的普遍原理，因此這種生物就顯得尤為重要，我們稱之為“模式生物”。模式生物具有許多共同的特征，如形體相對較小，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)易于培養(yǎng)和生殖，世代周期短，形態(tài)結(jié)構(gòu)相對比較簡單，生殖系數(shù)高（后代數(shù)量眾多）等，而且通常情況下它的基因組會比較小。前兩點(diǎn)是出于實(shí)驗(yàn)室空間考慮，而世代周期短是出于研究時(shí)刻的考慮；形態(tài)結(jié)構(gòu)的簡單性能夠減少特有生命現(xiàn)象的干擾，以便使人們更專注于生物遺傳發(fā)育的差不多規(guī)律。目前一些物種被大伙兒公認(rèn)為是優(yōu)良的模式生物，如線蟲、果蠅、非洲爪蟾、蠑螈、小鼠、斑馬魚、噬菌體、大腸桿菌、釀酒酵母、海膽等。它們在人口與健康領(lǐng)域應(yīng)用范圍比較廣。而在植物學(xué)研究中比較常用的有，擬南芥、水稻、煙草等。1.幾種經(jīng)典模式生物概況：1.1海膽第一個(gè)被用作模式生物的是海膽，它的胚胎對早期發(fā)育生物學(xué)的進(jìn)展有舉足輕重的作用。早在一八七五年，奧斯卡?赫特維格（OscerHertiwig,1849-1922）就開始以海膽為材料研究受精過程中細(xì)胞核的作用，一八九○年后，海膽更在受精和早期胚胎發(fā)育的研究中擔(dān)任重要角色。一八九一年，漢斯?德瑞希（HansDriesh,1876-1941）在海膽中完成了胚胎分裂實(shí)驗(yàn)，為現(xiàn)代發(fā)育生物學(xué)奠定了第一塊理念里程碑。他在顯微鏡下把剛剛完成第一次分裂的海膽一分為二，結(jié)果發(fā)覺，分開后的兩個(gè)細(xì)胞各自形成了一個(gè)完整幼蟲。這一實(shí)驗(yàn)的意義在于證明胚胎具有調(diào)整發(fā)育的能力，并顛覆了盛行一時(shí)的機(jī)械論發(fā)育思想。海膽以其易于得到大量受精精卵，同步發(fā)育，胚體透明，孵化速度快的特點(diǎn)成為了生物學(xué)研究的模式生物。由于棘皮動物的胚胎形成方式和脊索動物一樣，因此模樣盡管看起來原始，但實(shí)際上是包括人在內(nèi)的脊索動物的近親。因此海膽引起基因組測序人員的重視。而測序的結(jié)果分析表明海膽與人類有許多相似基因，然而人類基因數(shù)量比較多，提示在海膽與人類分道揚(yáng)鑣后,脊椎動物在進(jìn)化過程中至少出現(xiàn)過兩次全基因組復(fù)制。1.2果蠅黑腹果蠅（Drosophilamelanogaster）屬于昆蟲綱的雙翅目，20世紀(jì)初Morgan選擇黑腹果蠅作為研究對象，建立了遺傳的染色體理論，奠定了經(jīng)典遺傳學(xué)的基礎(chǔ)并開創(chuàng)利用果蠅作為模式生物的先河。20世紀(jì)80年代以后針對果蠅的基因組操作取得重大進(jìn)展，并進(jìn)展出一系列的有效技術(shù)。2000年，果蠅的全基因組測序差不多完成，全基因組約165Mb（WanYQ，2006）。果蠅體型小，體長不到半厘米；飼養(yǎng)治理容易，既可喂以腐爛的水果，又可配培養(yǎng)基飼料；一個(gè)牛奶瓶里能夠養(yǎng)上成百只。果蠅生殖系數(shù)高，孵化快，只要1天時(shí)刻其卵即可孵化成幼蟲，2-3天后變成蛹，再過5天就羽化為成蟲。從卵到成蟲只要10天左右，一年就能夠生殖30代。果蠅的染色體數(shù)目少，僅3對常染色體和1對性染色體，便于分析。作遺傳分析時(shí)，研究者只需用放大鏡或顯微鏡一個(gè)個(gè)地觀看、計(jì)數(shù)就行了，從而使得勞動量大為減輕。且果蠅與人類在軀體發(fā)育、神經(jīng)退化、腫瘤形成等的調(diào)控機(jī)制，都有特不多相通處，許多人類的基因在果蠅身上也有，甚至功能能夠互通。生命周期快，生殖容易和可進(jìn)行基因定位研究的巨大的多線染色體等特性使果蠅最適合用于遺傳分析。它被科學(xué)家們稱為上帝的禮物，是遺傳學(xué)上的重要的實(shí)驗(yàn)材料同時(shí)也是重要的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。然而現(xiàn)代果蠅研究差不多遠(yuǎn)不止停留在研究白眼突變和連鎖互換規(guī)律的層次上了，更多的科學(xué)家關(guān)注著如何樣使果蠅的研究更好地為人類服務(wù)，又由于果蠅在各個(gè)方面與人類有著驚人的相似之處，因此，人們將它應(yīng)用于癌癥療法、全球暖化與氣候變遷的初期預(yù)警系統(tǒng)、阿茲海默氏癥與亨丁頓氏舞蹈癥等神經(jīng)退化失調(diào)癥、以及酒癮與藥癮遺傳，還有失眠與時(shí)差的研究等等諸多領(lǐng)域。下面，本文僅就個(gè)不引起廣泛注目的新成果做一簡要介紹。果蠅具有簡單抉擇行為:為了推斷果蠅是否具有簡單抉擇行為，和產(chǎn)生這種簡單抉擇行為的緣故，科學(xué)家們做了如下實(shí)驗(yàn)：

在實(shí)驗(yàn)前，先在果蠅的頭—背之間用由紫外光可固化的膠粘上一個(gè)V形掛鉤，如此就限定了果蠅的頭與胸之間的轉(zhuǎn)動自由度，使得當(dāng)果蠅被掛在飛行模擬器的扭矩探頭的懸絲上時(shí)，只能有一個(gè)在水平方向的旋轉(zhuǎn)自由度，一旦將果蠅的視覺目標(biāo)（在白色圓筒的概念上的四等分區(qū)間的中心等高位置上，有正置的黑色“T”英文字母，和倒置的“T”英文字母。在圓筒壁上相鄰的90度兩象限的T圖形方位不同，相對象限的T圖形相同）與果蠅的飛行扭矩之間構(gòu)成閉環(huán)，形成負(fù)反饋，果蠅就能夠通過自身飛行扭矩來調(diào)控模式位置和角速度，就如同汽車司機(jī)通過方向盤來把握汽車方向，駕駛汽車一樣。在視覺操作式條件化過程中，科學(xué)家們設(shè)定了朝著其中的一種T圖形的飛行方向?yàn)椤敖w區(qū)”，一旦那個(gè)T圖形進(jìn)入了果蠅視覺感受野正前方的90度象限，果蠅就趕忙受到由計(jì)算機(jī)在線操縱的“熱擊”的懲處。果蠅趕忙用自身扭矩操縱飛行方向，躲避懲處，使得另一個(gè)圖形進(jìn)入果蠅視覺正前方的90度區(qū)域，“熱擊”就趕忙被計(jì)算機(jī)關(guān)斷，果蠅通過若干次反復(fù)，就會“悟出”并記住什么樣的T圖形出現(xiàn)時(shí)是與“熱擊”相關(guān)聯(lián)的。

在實(shí)驗(yàn)中，果蠅看到的是同時(shí)具有顏色和形狀的彩色圖形。先訓(xùn)練果蠅喜愛綠色的正置T形，而厭惡藍(lán)色的倒置⊥。然后改變圖形使其形狀相同，發(fā)覺果蠅會依照顏色選擇綠色圖形，而回避藍(lán)色圖形?；蛘呦ピ袌D形的顏色，發(fā)覺果蠅會選擇T圖形而回避⊥圖形。這證明果蠅在訓(xùn)練中差不多同時(shí)獵取了有關(guān)色彩和圖形的知識。

然后研究人員讓這些通過訓(xùn)練的果蠅在藍(lán)色T和綠色⊥之間作選擇。這時(shí)由于顏色和形狀提供的線索互相矛盾，果蠅會陷入兩難的困境。通過比較幾種果蠅的抉擇行為，發(fā)覺：正常的野生型果蠅（WTB）能夠依照線索強(qiáng)度對比變化，果斷做出最為有利的選擇，而通過基因突變或生化方法導(dǎo)致蘑菇體缺失的果蠅則猶豫不決，不能做出穩(wěn)定的抉擇。

在這種類似決策的行為中，科學(xué)家們猜想果蠅腦內(nèi)的蘑菇體結(jié)構(gòu)可能發(fā)揮著關(guān)鍵作用。蘑菇體是果蠅腦內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)，1850年蘑菇體的發(fā)覺者曾經(jīng)猜想它是果蠅腦內(nèi)產(chǎn)生“自由意志”和實(shí)施“智能操縱”的地點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們發(fā)覺的蘑菇體在果蠅的類認(rèn)知行為中起著重要作用，從某種程度上驗(yàn)證了1850年蘑菇體的發(fā)覺者的猜想，起著一種補(bǔ)充的作用。

那個(gè)發(fā)覺對人類的意義現(xiàn)在還不行講。人腦中沒有蘑菇體，與此同時(shí)，果蠅腦只有30萬個(gè)神經(jīng)元，人腦則有1000億個(gè)，兩者不可簡單類比。但作為模式動物，果蠅腦中的細(xì)胞和分子過程，與高等動物可能有相似性，這意味著在果蠅身上得到的知識，可能對研究人及高等動物的決策行為有借鑒作用。果蠅也有“同性戀者”:

在美國的一家實(shí)驗(yàn)室中，某些果蠅的行為令人有點(diǎn)困惑，罐里的雌果蠅擠成一團(tuán)，而雄果蠅卻以通常追逐異性時(shí)才有的狂熱在同性之間“尋歡作樂”，相互摩擦生殖器。這是科學(xué)家使這些果蠅變成了“同性戀者”，他們把一種基因移植到了果蠅體內(nèi)，導(dǎo)致它們表現(xiàn)出“同性戀”行為，更為重要的是，與此相關(guān)的基因也存在于人類身上，盡管尚無跡象表明該基因阻礙人的性取向。盡管并非一個(gè)基因就能使人變成同性戀者，但這項(xiàng)研究對基因構(gòu)成如何通過一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)阻礙性傾向那個(gè)問題或許會有新啟迪。

“糖尿病果蠅”:

美國斯坦福大學(xué)研究人員新培育出一種“糖尿病果蠅”，并希望能借助這些小“患者”更深入研究人類糖尿病的發(fā)病機(jī)理，進(jìn)而查找新的治療途徑。研究人員發(fā)覺，果蠅的大腦中也存在著操縱胰島素產(chǎn)生的細(xì)胞。他們設(shè)法使一些果蠅幼蟲大腦中此類細(xì)胞失去正常工作能力，結(jié)果培育出了“糖尿病果蠅”?！盎疾　钡墓売紫x不僅個(gè)頭異常小，發(fā)育為成年果蠅的速度明顯要慢，而且缺乏胰島素的果蠅幼蟲體內(nèi)血糖水平也出現(xiàn)升高。研究還顯示，果蠅大腦中操縱胰島素產(chǎn)生的細(xì)胞會向果蠅心臟傳遞信號，然后再通過神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)胰島素進(jìn)入果蠅循環(huán)系統(tǒng)，這與人類的胰島操縱胰島素進(jìn)入血液的過程有些類似。因此，科學(xué)家們希望關(guān)于“糖尿病果蠅”的研究能夠?qū)θ祟愄悄虿〉闹委熀皖A(yù)防有所關(guān)心。帕金森氏癥的新模型:

一種在果蠅身上開發(fā)出的帕金森氏癥新模型，被認(rèn)為關(guān)于這種疾病的研究具有重大價(jià)值，因?yàn)榭茖W(xué)家可利用專為果蠅開發(fā)的一系列強(qiáng)大的基因工具來研究這種疾病。盡管果蠅與人類相差懸殊，但該模型卻能專門好地重現(xiàn)人類帕金森氏癥的要緊特征。為a-synuclein（一種豐富的、功能未知的神經(jīng)蛋白）編碼的基因發(fā)生突變，可在家族性帕金森氏癥患者身上導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)生，而在果蠅身上產(chǎn)生這一動物模型的正是同樣的基因突變。運(yùn)用現(xiàn)代的基因技術(shù)新手段，人們能夠通過對果蠅的研究加深對神經(jīng)疾病的了解，并由此發(fā)覺根治帕金森氏癥的方法。挖掘果蠅過去百年的實(shí)驗(yàn)生命，差不多發(fā)表的論文早就有十萬篇了，而且每天都有更新的論文出爐，除非發(fā)瘋，或是為了學(xué)術(shù)目的，否則可不能有人進(jìn)行那樣的探究。但人們卻一直在不懈地探究著，本文作者沒有什么不得目的，一方面是為了完成作業(yè)，而另一方面更重要得是透過冰山一角讓人們了解一個(gè)短暫的生命如何協(xié)助我們確立生物學(xué)知識的邊界……1.3斑馬魚斑馬魚(Daniorerio)為一種熱帶硬骨魚，是研究脊椎動物器官發(fā)育和人類疾病的重要遺傳學(xué)模型之一。20世紀(jì)70年代美國遺傳學(xué)家GeorgeStreisinger注意到斑馬魚的優(yōu)點(diǎn)，并開始研究其養(yǎng)殖方法、胚胎發(fā)育等，并進(jìn)展一些相關(guān)的遺傳學(xué)技術(shù)。并在Nature上發(fā)表了關(guān)于斑馬魚體外受精、單倍體誘導(dǎo)技術(shù)相關(guān)的論文（StreisingerG，1981）。到20世紀(jì)90年代初，德國發(fā)育生物學(xué)家ChristineNusslein－Volhard以及美國哈佛大學(xué)的WolfgangDriever博士的研究組同時(shí)開始對斑馬魚進(jìn)行大規(guī)?；瘜W(xué)誘變研究（DrieverW，1996）。斑馬魚顯著優(yōu)勢在于體積小，可在較小的空間大量生殖；產(chǎn)卵量高(每周200多個(gè))發(fā)育快，許多組織在受精后24h開始形成；成熟周期短，體外受精且胚胎透明，可在體視解剖鏡下觀看。它的神經(jīng)中樞系統(tǒng)、內(nèi)臟器官、血液以及視覺系統(tǒng)，在分子水平上85％與人相同，尤其是心血管系統(tǒng)，早期發(fā)育與人類極為相似，在胚胎發(fā)育過程中能夠全程觀看和研究其心臟發(fā)育及血液流淌狀態(tài)。借助顯微鏡，甚至可看到每個(gè)心肌細(xì)胞和血液細(xì)胞。與之相比，線蟲和果蠅與人相距甚遠(yuǎn)，包括造血功能在內(nèi)的許多人體重要生理功能以及相關(guān)的疾病基因在這些模式生物體內(nèi)并不存在。且斑馬魚單倍體、雌核發(fā)育二倍體的制作和突變體的獲得均較容易，精子能夠冷凍保存，所有這些特點(diǎn)使斑馬魚特不適合于遺傳學(xué)的研究．高速生殖有利于基因篩選，早期發(fā)育與人類極為相似，這些特點(diǎn)使得斑馬魚成為目前研究人類疾病及動物胚胎發(fā)育的最佳模式生物。特不在母體產(chǎn)生的因子(如蛋白質(zhì)和mRNA)對啟動胚胎發(fā)育的阻礙、體軸的形成機(jī)制、胚層的誘導(dǎo)與分化、胚胎中細(xì)胞的運(yùn)動機(jī)制、器官的形成、左右不對稱發(fā)育、原始生殖細(xì)胞的起源等方面做出巨大貢獻(xiàn)。1.4秀麗線蟲秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditiselegans）在當(dāng)今的生命科學(xué)研究中起著舉足輕重的作用。20世紀(jì)60年代，Brenner在確立了分子遺傳學(xué)的中心法則以后，為探究個(gè)體及神經(jīng)發(fā)育的遺傳機(jī)制，而最終選擇了秀麗線蟲這一比果蠅更簡單的生物。并在1974年在Genetics上發(fā)表文章，在這篇文章中詳細(xì)描述了秀麗線蟲的突變體篩選、基因定位等遺傳操作方法（BrennerS.1974）。為秀麗線蟲作為模式生物進(jìn)行個(gè)體發(fā)育的遺傳研究奠定了基礎(chǔ)。自Brenner開始，四十多年來，以秀麗線蟲為模式生物的研究幾乎涉及到生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域并取得了重大突破，如MAPK信號傳導(dǎo)、細(xì)胞程序性死亡、TGF-β信號傳遞途徑、RNA干擾(RNAinterference,RNAi)和微RNA(microRNA,mRNA)等。秀麗線蟲成蟲長約1mm，軀體為半透明，研究時(shí)不需染色，即可在顯微鏡下看到線蟲體內(nèi)的器官如腸道、生殖腺等；若使用高倍相位差顯微鏡，還可達(dá)到單一細(xì)胞的分辨率。此外它的細(xì)胞數(shù)目以及細(xì)胞命運(yùn)圖譜幾乎固定，同時(shí)易于追蹤。又因?yàn)榫€蟲僅有一千多個(gè)體細(xì)胞，因此它的所有細(xì)胞都能夠澈底地觀看研究，這與人體數(shù)十兆的體細(xì)胞比起來，真是簡單多了。因此，線蟲是研究細(xì)胞分裂、分化、死亡等的好材料。它以大腸桿菌為食，易在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)。從一個(gè)受精卵發(fā)育成能夠產(chǎn)卵的成蟲，它只需要3d。在實(shí)驗(yàn)室中只要有一臺解剖顯微鏡，一只自制的鉑金絲小鏟，就能夠進(jìn)行線蟲培養(yǎng)操作了。在自然狀態(tài)下，秀麗線蟲絕大部分個(gè)體為雌雄同體(hermaphrodite)，其一生能產(chǎn)生約300個(gè)受精卵。假如在一個(gè)培養(yǎng)皿上放上幾只線蟲，幾天之后就可得到大量的后代。自然產(chǎn)生的秀麗線蟲群體中只有約千分之一為雄性，但在實(shí)驗(yàn)室里能夠用熱激的方法來產(chǎn)生雄性個(gè)體以用于遺傳交配。由于具有雄性和雌雄同體這兩種性不特征，秀麗線蟲在遺傳研究上具有無可比擬的優(yōu)勢。一方面，不同遺傳背景的秀麗線蟲能夠像果蠅等模式動物一樣進(jìn)行遺傳交配，進(jìn)行遺傳分析或獲得具有多種性狀的個(gè)體；另一方面，經(jīng)突變或交配產(chǎn)生的新性狀無需再經(jīng)交配只需轉(zhuǎn)接繼代就能夠保持了。事實(shí)上，秀麗線蟲能夠像動物培養(yǎng)細(xì)胞一樣儲存在-80℃冰箱或液氮中，這就為大量保存各種遺傳背景的秀麗線蟲株系提供了極大的便利。這一優(yōu)勢也是其他模式動物，假如蠅和小鼠等所不具備的。2.模式生物關(guān)于發(fā)育生物學(xué)的意義：模式生物的研究是人類基因組打算的一個(gè)重要組成部分,是人類基因組打算的必要的補(bǔ)充,這對人類基因組打算的研究有專門大的促進(jìn)作用。由于人類對其自身理解的限制、實(shí)驗(yàn)的限制和倫理學(xué)的制約,醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的研究在專門大程度上依靠于對一些模式生物的研究,在研究人類基因組的同時(shí),平行地進(jìn)行一些如微生物、植物、動物等模式生物的研究,可為人類基因組的研究作方法學(xué)和組織工作方面的預(yù)備。將從模式生物中得到的數(shù)據(jù)和資料與人類基因組比較,通過不同生物基因序列的同源性來闡明人類相應(yīng)基因的功能;通過研究小而簡單的模式生物的基因組,積存實(shí)驗(yàn)進(jìn)展模式,同時(shí)對模式生物的研究亦有經(jīng)濟(jì)價(jià)值,一些與人類基因有相似性,但結(jié)構(gòu)和基因組成卻相對比較簡單的生物體就成為進(jìn)行人類基因組研究的好樣本。

模式生物的研究在人類疾?。ㄌ夭皇沁z傳性疾病）的預(yù)防、診斷、治療以及新藥開發(fā)等方面也有專門廣泛的應(yīng)用前景。如：把某些病原體的抗原或毒素基因轉(zhuǎn)入一般的食物或水果中,以吃這些水果代替?zhèn)鹘y(tǒng)的疫苗來達(dá)到預(yù)防疾病的目的；利用細(xì)胞衰老的分子機(jī)制來生產(chǎn)保持皮膚光澤、有彈性的新一代化妝品。同時(shí)模式生物的研究成果的應(yīng)用也給人們生活、生產(chǎn)帶來了更深刻、更廣泛的阻礙，現(xiàn)在差不多開始對植物的遺傳物質(zhì)進(jìn)行修飾，這一成果差不多和正在對人類社會產(chǎn)生巨大的阻礙。全世界絕大部分的食物、燃料、纖維、化學(xué)原料和部分藥物今后都有可能取自遺傳修飾的植物。如：通過遺傳修飾產(chǎn)生抗性大豆、棉花、油菜、