发育生物学模式生物

发育生物学模式生物

摘要：模式生物是生命科学研究的重要材料．目前公认的用于生命科学研究的常见模式生物有噬茵体、大肠杆茵、酵母、线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠、拟南芥等．这8种常用模式生物对生命现象的揭密和人类疾病治疗的探索等都所做出了重大贡献．对其在生命科学研究中的历史轨迹、各自优势、技术手段、热点研究、发展前景等系统而又简要的了解．有助于具体而又生动地体察到模式生物在今天生命科学发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生命科学研究

基础问题可以在最简单和最容易获得的系统中得以回答．由于进化的原因，细胞在发育的基本模式方面具有相当大的同一性，所以利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研究发育的共同规律是可能的．尤其是当在不同发育特点的生物中发现共同形态形成和变化特征时，发育的普遍原理也就得以建立．因为对这些生物的研究具有帮助我们理解生命世界一般规律的意义，所以称其为“模式生物”．模式生物作为研究材料不仅能回答生命科学研究中最基本的生物学问题，对人类一些疾病的治疗也有借鉴意义．目前，在杂志重要上刊登的有关生命过程和机理的重大发现，大多都是通过模式生物来进行研究的，常见的模式生物有病毒中的噬菌体(Bacteriophage)，原核生物中的大肠杆菌(Escherichia coli)，真菌中的酿酒酵母(Sacharo．myces cerevisiae)，低等无脊椎动物中的秀丽新小杆线虫(Caenorhabditis elegans)，昆虫纲的黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)，鱼纲的斑马鱼(Danio rerio)，哺乳纲的小鼠(Mus musculus)以及植物中的拟南芥(Arabidopsis thaliana)等。

模式生物在生命科学研究中有一些共同的优点，例如：有利于回答研究者关注的问题，能够代表生物界的某一大类群；对人体和环境无害，容易获得并易于在实验室内饲养和繁殖；世代短、子代多、遗传背景清楚；容易进行实验操作，特别是具有遗传操作的手段和表型分析的方法等．不同的模式生物由于其各自的遗传生长特点及其在进化过程中的地位，而又具有各自独特的特点。

在生命科学研究中选择哪一种模式生物取决于所探索的生物学问题．研究分子生物学的基本问题，用简单的单细胞生物或病毒通常更方便些．这些生物结构简单并且可以快速大量地生长，通常可以把遗传学和生物化学的研究方法结合起来．而其它问题，如有关发育的问题，通常只能用更复杂的模式生物来解决．例如，噬菌体如T4噬菌体)被证明是一个解决基因和信息传递本质的理想体系；酵母具有高效的适合遗传分析的交配体系，所以酵母成为解释真核细胞本质

的首选系统；线虫和果蝇也提供了很好的遗传系统，用来解决那些在较低等的生物中不能有效解决的问题，如发育和行为；最高等的模式生物小鼠，尽管它不如线虫和果蝇容易研究，但因为是哺乳动物，所以是了解人类生物学和人类疾病最好的模式系统．

1病毒和原核模式生物

1．1噬菌体

噬菌体(Bacteriophage)是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的细菌病毒的总称．模式生物中的噬菌体主要是指感染大肠杆菌的噬菌体(T噬菌体和入

噬菌体)．

噬菌体作为模式生物的优势：个体微小．噬菌体基因组只有在侵入细胞后才复制，所编码的基因才能表达，一旦离开了宿主细胞，噬菌体既不能生长，也不能复制．噬菌体提供了一个研究基本生命过程的最简单的系统．它们的基因组比较小，复制迅速，使得对要在噬菌体中获得多重突变体的遗传分析来说是可控制的。

噬菌体作为模式生物在生命科学中的应用：1、为了分离病毒复制的关键基因，在条件致死突变的基础上开发了许多筛选技术，例如：通过分离“温度敏感型噬菌体”使得其能在低温下生长，而不能在高温下生长；2、Hershey和Chase(1952)将1r2噬菌体的蛋白质外壳和核酸分别用35S和32P标记，检测蛋白质和核酸在噬菌体增殖过程中的去向，结果检测到母本噬菌体标记的核酸进入到寄主细胞并出现在后代的噬菌体中，从而直接证明了DNA是遗传物质[1]，这一杰出的实验成就直接导致了DNA双螺旋结构的发现，并因此奠定了分子遗传学乃至整个分子生物学的基础；3、目前，以噬菌体系统为基础已发展出多种生物学技术，如噬菌体展示技术[2.3]，有力的推动了蛋白质组学的研究．噬菌体展示是一种用于筛选和改造功能性多肽或蛋白质的强有力的生物学技术，广泛应用于蛋白组学，以及未知基因的克隆和测序等多个分子生物学领域。

1．2大肠杆菌

大肠杆菌作为模式生物的优势：大肠杆菌(Escherichia coli)，是相对简单的单细胞生物，所有DNA、RNA和蛋白质合成的机器都包含在同一细胞器中(细菌没有细胞核)，可以相对容易的培养和操作．大肠杆菌通常只有一条染色体，比高等生物的基因组要小得多，并且具有较高的基因密度(大约每1 kb就有一个基因)，没有内含子和很少有重复DNA，易于寻找和分析基因．另外，大肠杆菌的生活周期很短，并且单个细胞可以很容易的获得一个遗传上同源的细胞群体(克隆)．细菌是单倍体，这意味着即使是隐性突变，也能够表现出突变的表型，同时细菌之间可以方便地进行遗传物质的交换。细菌的这些特征便于对其进行遗传学究．大肠杆菌作为生命科学研究的模式系统，其主要优势是具有遗传交换系统．遗传交换使定位突变、构建含多种突变的菌株、构建用来辨别显性突变和隐性突变及进行顺反式分析的部分双倍体的菌株成为可能．这种遗传交换系统主要通过两种方式构建，第一种方式是大肠杆菌通过性结合交换DNA，大肠杆菌的育性质粒(F因子，F．factor)具备把自身从一个细胞转移到另一个细胞的能力．F 因子介导的结合是一个复制的过程，F+细胞转移一个拷贝的F因子给F—细胞．有时，F因子整合到染色体中，就会引起寄主染色体通过接合向F一细胞转移．含有整合的F因子的菌株叫做Hfr菌株(高频重组菌株，Hfrstrain)，这种材料对于进行遗传交换研究非常有用；第二种方式是通过噬菌体介导的转导，噬菌体成熟时有一部分噬菌体的DNA被寄主DNA所取代，当噬菌体感染下一个细胞时，从以前寄主那里获得的染色体DNA片段可以和被感染的寄主染色体发生重组，导致遗传信息从一个细胞转移到另一个细胞．

应用：20世纪70年代初期，在建立DNA重组技术的同时，便开展了对大肠杆菌基因组的研究．目前对大肠杆菌的研究主要集中于揭示其新的功能基因，查明DNA 序列和基因结构的特点，以及基因间的调控关系(即对操纵子学说的补充和扩展)等，这一技术路线也成为其它模式生物特别是人的基因组计划研究的技术路线．

2真核模式生物

2.1酿酒酵母

酿酒酵母作为模式生物的优势：酵母与其它真核生物相比，它们的基因组小

(约12 Mb)，基因数目也比较少(约5 885)．与大肠杆菌类似，它们可以在实验室里快速繁殖，在理想条件下，每次细胞分裂大约90 min。可以从单个细胞繁殖成克隆群体．酵母作为模式实验系统最重要的优点是，酵母细胞不仅简单，而且具有所有真核生物细胞的主要特征，如含有一个独立的细胞核、多条线性染色体包装成染色质、细胞质包含了全部的细胞器(如线粒体)和具有细胞骨架结构(如肌动纤维蛋白)等．在酵母系统中，单倍体和双倍体细胞的存在促进了酵母的遗传分析．酵母在单倍体和二倍体的状态下均能生长，并能在实验条件下较为方便地控制单倍体和二倍体之间的相互转换，这种转换是通过交配(单倍体到双倍体)和孢子生成（双倍体到单倍体)来实现的，这对其基因功能的研究十分有利．例如，要想知道一个特定的基因是否是细胞生长所必需的，可以在单倍体里敲除这个基因，单倍体细胞只能承受非必需基因的敲除[4]。在酵母中容易对其基因组做精确的人为突变，当把末端与基因组的任何一个特定区域同源的线性DNA引入到酵母细胞中，酵母基因组就会发生非常高的同源重组，导致目标染色体序列被所用的目的染色体片段所取代．如精确地删除整个基因的编码区、改变单个特定的密码子，甚至改变启动子中一个特定的碱基对，这使得研究基因或其调控序列的功能等具体问题变得比较容易．

应用：早在1996年就完成了酿酒酵母(以下简称酵母)的基因组测序[5]，这是人类第一次获得真核生物基因组的完整核苷酸序列，被称为遗传学研究上的一座里程碑．通过对酵母全基因组序列测定，其基因组大小约为12 Mb，初步确定了5 885个编码蛋白质的基因，140个rRNA基因、275个tRNA基因，第一次揭示了一种真核生物的全部基因的数目和大体上的功能分类．酵母基因组中有将近31％编码蛋白质或者具有开放阅读框，与哺乳动物编码蛋白质的基因有高度的同源[6]．酵母作为最简单的真核模式生物，通过对其基因组的深入研究将有助于人们了解高等真核生物基因组的结构和功能．

2．2黑腹果蝇

自1908年Morgan将果蝇作为遗传学研究的实验材料以来，果蝇越来越受到科学家们的关注和青睐，黑腹果蝇(Drosophilamelanogaster)是最普遍应用于遗传学研究的果蝇是奠定经典遗传学基础的重要模式生物之一．

果蝇作为模式生物的优势：果蝇体型幼小，饲养管理简单，生活史短暂，繁殖高效，胚胎发育极快和完全变态。果蝇完成一个世代交替平均只需要2周左右，1只雌果蝇一生能产下300—400个卵，卵经1天即可孵化成幼虫，组成一个庞大的家族，足以作为一个研究样本进行数理统计分析．果蝇由卵发育为成虫大体经过卵、幼虫、蛹和成虫4个阶段，属完全变态发育．在实验室里，果蝇的饲养条件要求不高，凡能培养酵母菌的基质都可作为其养料．其次，果蝇的性状表现极为丰富，突变类型众多，而且具有许多易于诱变分析的遗传特征，如果蝇的复眼性状可分为白眼、朱砂眼、墨黑眼、砖红眼和棒眼等；果蝇的体色可分为黄身、黑檀身和灰身等；果蝇的翅膀可分为长翅、残翅、小翅、卷翅和无横隔脉翅等．果蝇表型性状的遗传分析为数量性状遗传规律的研究及生物多样性的研究提供了丰富的研究素材．另外，果蝇的染色体数日极少，基因组大小约为180 Mb，只包括4对同源染色体，便于分析．最后，虽然果蝇的神经系统相对于人类而言简单得多，但同样表现出许多与人类相似的复杂的行为特征，如觅食求偶、学习记忆、

休息睡眠等．

应用：Morgan以果蝇作为模式生物，提出了遗传学3条基本定律中的基因连锁互换定律和遗传的染色体学说，确立了基因作为遗传单位的基本概念，开启了现代遗传学研究的大门，为基因组学的研究铺平了道路，并因此而获得1933年诺贝尔生理医学奖M organ以果蝇作为模式生物，提出了遗传学3条基本定律中的基

因连锁互换定律和遗传的染色体学说，确立了基因作为遗传单位的基本概念，开启了现代遗传学研究的大门，为基因组学的研究铺平了道路，并因此而获得1933年诺贝尔生理医学奖．Morgan的学生，被誉为“果蝇的突变大师”的Muller，证明x射线能使果蝇的突变率提高150倍，终于使得遗传物质的人工诱变成为可能，而成为1946年诺贝尔生理医学奖获得者．Lewis、Nusslein．Volhard和Wieschaus 3人通过对果蝇的研究揭开了果蝇胚胎如何由一个细胞发育成完美的特化器官，如体节和腿的遗传秘密，树立了动物基因控制早期胚胎发育的模式[12·13]，并因此而共同获得1995年诺贝尔生理医学奖．果蝇的绝大部份发育基因也被发现存在于其它动物身上，包括脊椎动物，相对应的基因也有相对应的发育功能，显示在演化上动物发育的基本机制仍然保存，并不因为外表体型演化而变得不可识别而有所改变．经这3位科学家及其它科学家对发育遗传学的研究，敲开了人类发育遗传的大门。

2．3秀丽新小杆线虫

线虫是营自由生活，以大肠杆菌为食，易在实验室培养；它身长l mm，透明的表皮使每个细胞清晰可见，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，若使用高倍相差显微镜，还可看到单一细胞的解析度，因此线虫是研究细胞分裂、分化、死亡等的好材料；它在20℃时，从一个受精卵发育成可以产卵的成虫的生命周期是3．5d，非常适合做遗传学研究；最可贵的是细胞数目少且固定，在发育过程中总共产生l 090个细胞，其中有131个细胞注定要凋亡，每个细胞都可以进行彻底的观察和研究，这与高等生物数十兆的体细胞比较起来，易于研究分析；1998年完成了线虫基因组测序，8x107 bp，分布于6条染色体上，约为人类基因组的3％，约有13 500个基因，40％以上预测的基因产物可以在其它生物体中找到相匹配的蛋白质，为人类等高等生物的基因功能分析乃至生物学研究提供了一个十分理想的技术平台．

自然状态下，线虫绝大部分个体为雌雄同体(hermaphrodite)，雌雄同体的成虫4天内就可以产生多达300个自身后代，或与雄性线虫交配，产生多达l 000条杂交后代．成虫大约存活15 d．自然产生的秀丽线虫群体中只有约千分之一为

雄性，但在实验室里可以用热激法来产生雄性个体以用于遗传交配．一方面，不同遗传背景的秀丽线虫可以像果蝇等模式动物一样进行遗传交配，获得具有多种性状的个体，进而进行遗传分析；另一方面，经突变或交配产生的新性状无需再经交配，只需转接继代就可以保持[18]．另外，线虫还可以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．这一优势也是其它模式动物，如果蝇和小鼠等所不具备的．应用：自Brenner提出以线虫作为发育和神经系统研究的模式生物以来，以线虫为模式生物的研究虽然几乎涉及到生命科学的各个领域并取得了重大突破，但到目前为止，线虫研究中最引人注目的成就是基本阐明了程序性细胞死亡(programmedcell death，PCD)或细胞凋亡(apoptosis)的分子机制．其程序性细胞死亡过程可分为凋亡的特异性激活、执行，凋亡细胞的吞噬和降解等阶段．秀丽线虫的凋亡激活过程需要4个与人类蛋白同源的凋亡因子，包括EGL-1BH3．only、

CED一9，Bcl2，CED-4／ADaf-1和CED．3／Caspase，它们的基因突变会使细胞免于凋亡[IsAg]．除此之外，是否还有其它未知因子参与凋亡的激活还有待研究．现已发现，细胞程序性死亡在进化上是一个非常保守的过程．从原生动物线到高等动物人等多细胞生物，细胞程序性死亡的相关基因十分保守且调控途径基本相似．因此，研究线虫的细胞程序性死亡能够使我们更好地了解人体细胞凋亡的调控机制．程序性细胞死亡对个体发育、器官发生以及组织的动态稳定十分重要．程序性细胞死亡的失调与大多数人类疾病密切相关，细胞凋亡机制的研究有利于揭示出恶性疾病，如肿瘤、艾滋病的发病机制，进而为许多疾病的治疗开辟新的思路．线虫研究中另一个里程碑式的成就就是RNA干扰(RNAi)现象的发现．1998年，一项非同寻常的发现被公布：双链RNA(dsRNA)引入到线虫中后，抑制了与引入的dsRNA同源的基因的表达．在随后的短短一年中，RNAi现象被广泛地发现于真菌、拟南芥、水螅、涡虫、锥虫、斑马鱼等大多数真核生物中．随着研究的不断深入，RNAi的机制正在被逐步阐明，特别是对RNA干扰的特异性和高效性的影响因素的探讨，必将成为基因功能研究的一把利器，也是基因表达调控、基因治疗的一种重要手段。

线虫，已成为21世纪诺贝尔奖的新宠．由于Brenner等3人以线虫为模式生物，在基因控制器官发育和细胞程序性死亡方面的卓越成就，而获2002年诺贝尔生理学医学奖．由于Fire和Mello在RNA干扰机制方面的卓越研究，而获2006年诺贝尔生理学医学奖．毋庸置疑，从20世纪80年代至今，线虫已成为分子生物学、发育生物学、神经生物学以及细胞凋亡等众多研究领域的最耀眼的明星．

2．4斑马鱼

作为模式生物的优势：斑马鱼(Dan／o reno)属鲤科短担尼鱼属，原产于南亚，是一种常见的热带鱼．斑马鱼体型小生存能力强，物种稳定，成鱼个体长约3～4 cm，雄鱼个体修长，雌鱼个体肥大，便于饲养和性别识别；体外受精，体外发育，斑马鱼胚胎透明，易于观察；受精卵的直径约1 mm，易于进行显微注射和细胞移植等操作；斑马鱼发育快、繁殖能力强、性成熟期短，斑马鱼受精后约40 min，就完成了第一次有丝分裂，24 h后，主要组织原基就基本形成，并且清晰可见，相当人类第28 d的胚胎，3个月可达到性成熟；雌鱼每周可产300余枚卵，一周可产2次，可保证每天获得成千上万的胚胎．

应用：．斑马鱼在胚胎发育上的绝对优势，使其成为发育学家的最爱，例如利用斑马鱼胚胎透明的特点，构建绿色荧光蛋白(GFP)与内源性靶蛋白的融合蛋白，通过观察融合蛋白的荧光分布情况，可以借以确定目的基因或目的蛋白的功能和表达特点．甚至还可以用来确定基因和基因间的相互作用对整个发育过程的影响．斑马鱼属于高等脊椎动物，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．近年来斑马鱼已成为研究动物胚胎发育的优良材料和人类疾病起因的最佳模式生物之一．斑马鱼胚胎和幼鱼对有害物质非常敏感，已被广泛的运用在医药卫生、食品和生活用品的安全性测试方面[27-30]，显示出其在科学研究中的巨大潜力，例如复旦大学于2007年培养出可监测环境污染的“转基因斑马鱼”，该转基因斑马鱼能直观、灵敏、特异、方便、快速地显示水环境中雌激素类物质污染，即便水中环境雌激素污染仅达到极微量程度，转基因斑马鱼的肝脏就会发射绿色荧光．这对环境保护和生殖生理以及生殖病理具有重要应用和理论研究价值．2.5小鼠

作为模式生物的优势：它是哺乳动物，因此和人类有极近的亲缘关系．当然，

黑猩猩和其它的灵长类与人类之间有更近的亲缘关系，但是我们不容易用它们进行若干在小鼠中能够进行的实验．在哺乳类实验动物中，由于小鼠体型小，饲养管理方便，易于控制，繁殖速度快，研究最深，有明确的质量控制标准，已拥有大量的近交系、突变系和封闭群，因此小鼠成为公认的最好的模式哺乳动物．应用：小鼠遗传学研究开始于1902年，哈佛大学的Castle在当时孟德尔遗传学研究的影响下对小鼠的毛色进行观察，开始了小鼠遗传学研究．1905年，法国遗传学家LucienClaude Curno通过对黄白相间的杂色鼠进行研究，发现了第一个等位纯合致死基因．由于遗传物质纯合的老鼠种群更有利于遗传学研究，Castle 在1909年培育出了第一个近亲繁殖的小鼠株系——DBA。在这100多年里人们已经建立了近400多个近交系，6 000多个突变品系．这些近交系和突变系小鼠的建立极大推动了以小鼠为模型的科学研究．目前我国已在南京大学建立了“国家遗传丁程小鼠资源库”．该资源库已建立了完善的基因组改造技术平台，建立了遗传工程小鼠品系共300余种，其中142种为自主培育品系，这些小鼠品系中包括糖尿病、肥胖症、白内障、肢体残废、发育缺陷、心血管系统障碍等多种人类疾病的动物模型．小鼠对于生命科学研究的贡献还要得益于小鼠日益丰富的生理生化数据．各种专门用于小鼠的代谢、心血管、呼吸、骨骼、血液、行为等生理功能检测仪器设备和方法在过去几十年中得到的迅速发展，比较医学的研究使得我们可以将小鼠的特定生理生化功能和人类进行比较分析。

2．6拟南芥

拟南芥(Arabidopsis thaliana)，又名鼠耳芥、阿拉伯芥、阿拉伯草，属十字花科．

作为模式生物的优势：．拟南芥植株个体小，只需要不大的温室空间，就可种植上万株的实验材料，如此庞大的研究群体，便于筛选低频突变体；世代时间短，约为7周左右，一年内就可收集到8—9个世代的遗传数据，极大的加速了遗传研究的进展；种子产率高，每个植株可产生4×104粒以上的种子。一个月内便可获得大量的遗传杂交后代，这一点对于突变研究尤其重要；天然自花授粉，基因高度纯合，用理化因素处理突变率很高，容易获得各种代谢功能的缺陷型．

应用：．2000年拟南芥基因组测序完成，成为第一个基因组被完整测序的植物，其基因组大约为15 700万碱基对，分布在5条染色体上．拟南芥基因组在植物中算是非常小的，只有棉花的10％、烟草的5％、小麦的l％，从而使得基因库的构建、筛选等过程变得比较快速、简便．

应用：它在发育、代谢、遗传、信号转导、环境适应性等方面都具有开花植物的全部特征，有关拟南芥的所有发现都能应用于其它植物的研究，这使得它成为高等植物中迄今为止的最好模式材料．

3小结

目前，生命科学基础研究主要是以模式生物为对象，尤其是在最近几年，这些模式生物的基因组测序相继完成，在这些基因组信息的基础上，以这些模式生物为研究对象的重大科学发现层出不穷．随着人类全基因组测序工作的完成，对人的研究也已经进入了“后基因组时代”，在后基因组时代，对这些处于生物演化不同阶段的模式生物体的研究是认识人类基因结构与功能所不可缺少的；同时，要想在整个基因组的规模上了解基因组和蛋白质组的功能意义，包括基因组的表达与调控、基因组的多样化和进化规律以及基因及其产物在生物体生长、发育、分化、行为、老化和治病过程中的作用机制，都必须充分加强对不同种类模式生物的综合研究以及发展新的模式生物基于各种模式生物的不同特点，研究者可以

根据研究目的之不同，有机地进行模式生物的选择与组合搭配．目前，我国已启动了家蚕模式生物的研究计划，试图建立另具特色的新模式生物，并以此为契机，推动我国特有模式生物的研究．随着越来越多的研究者的加入，也随着分子生物学的飞速发展，以及越来越多物种的基因组被测序，许多生物都有可能成为很好的模式生物．经典模式生物的数据库不断的完善将会加快对分子生物学的研究进展．我们坚信，有关模式生物的研究必将继续为人类探索生命规律的调控机制做出更大贡献，最终使我们真正了解我们最关心的生物——人类．

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