模式生物发育研究
什么是模式生物? 为什么要用模式生物研究? 模式生物的种类及特点 模式生物的应用 模式生物发育的研究意义
模式生物 生物学家通过对选定的生物物种进行科学研究, 用于揭示某种具有普遍规律的生命现象, 此时, 这种被选定的生物物种就是模式生物
为什么要用模式生物研究? 多细胞生物包括人类, 在胚胎期复杂的发育变化和调控一直是困扰生命科学的未解之迷 个体生命诞生自精卵结合形成合子, 经过细胞的不断分裂 迁移 分化并发生巨大形态变化, 构建出未来身体的雏形 越是出生后形态复杂的生物, 其发育中细胞间关系的变化也就越剧烈
为什么要用模式生物研究? 虽然所有细胞都来自于同一个受精卵, 但从发育早期开始, 它们就走上了不同的分化道路, 越到后期, 要精确的说出每个特定位置上细胞的来历就越困难 发育过程从本质上讲是一部生命发展的细胞历史 成体中每个细胞都有一段自己独特的历史, 综合起来就构成了个体生命 对复杂生物发育的解读并非易事, 其间千头万绪, 细节纷繁, 难以把握, 有时甚至无从下手 显然, 如何选取恰当的切入点, 找出诸种复杂现象背后潜藏的共同规律就成为洞悉这部生命史的关键
为什么要用模式生物研究? 19 世纪末 20 世纪初, 人们发现如果把关注的焦点集中 在相对简单的生物上, 发育现象的难题可以得到部分 解答 因为这些生物更容易被观察和实验操作 除了在遗传学研究外, 模式生物研究策略在发育生物学中获得了非常广泛的应用, 一些物种被大家公认为优良的模式生物, 如线虫 果蝇 非洲爪蟾 蝾螈 小鼠等
为什么要用模式生物研究? 由于进化的原因, 许多生命活动的基本方式在地球上的各种生物物种中是保守的, 这是模式生物研究能够成功的基本基础 选择什么样的生物作为模式生物, 首先依赖于研究者要解决什么科学问题, 然后寻找能最有利于解决这个问题的物种
为什么要用模式生物研究? 随着人类基因组计划的完成和后基因组研究时代的到来, 模式生物研究策略得到了更加的重视 人体基因的结构和功能可以在其它合适的生物中去研究, 同样人类的生理和病理过程也可以选择合适的生物来模拟
为什么要用模式生物研究? 被选择的模式生物会有一些基本共同点 : 1) 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 ; 2) 对人体和环境无害, 易获得和易于在实验室内饲养和繁殖 ; 3) 世代短 子代多 遗传背景清楚 ; 4) 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
模式生物的种类和特点 目前应用最广的模式生物包括 : 噬菌体 大肠杆菌 酿酒酵母 秀丽隐杆线虫 海胆 果蝇 斑马鱼 爪蟾和小鼠 在植物学研究中比较常用的有拟南芥 水稻等
1 秀丽隐杆线虫 一种无毒无害 可以独立生存的线虫 其个体小, 成体仅 1.5mm 长, 为雌雄同体, 雄性个体仅占群体的 0.2%, 可自体受精或双性生殖 在 20 下平均生活史为 3.5 天, 平均繁殖力为 300-350 个 ; 但若与雄虫交配, 可产生多达 1400 个以上的后代 自 1965 年起, 科学家 Sydney Brenner 利用线虫作为分子生物学和发育生物学研究领域的模式生物
线虫
1 秀丽隐杆线虫 2002 年诺贝尔生理医学奖得主布瑞纳 苏斯顿及霍维兹的重要贡献之一, 就是建立了线虫的模式生物系统, 他们运用对线虫优越及完善的遗传分析技术, 发现了许多影响线虫发育的基因, 其中包括作用于细胞程序化死亡的一些重要基因 细胞程序化死亡的遗传调控机制和 RNAi 及其遗传机制的发现是秀丽线虫对当代生命科学发展的又一重要贡献
荧光显微镜下的秀丽线虫 ( 图片来自 www.nematode.net)
秀丽线虫的主要优点 1 能在实验室用培养皿培养 2 生命周期短 3 存在雌雄同体和雄性两类不同生物型 4 体细胞数量少且恒定 5 易于观察生殖细胞的发生及生殖系颗粒的传递过程 6 基因组相对较小, 组成相对简单
2 果蝇 果蝇广泛地存在于全球温带及热带气候区 目前至少有 1000 个以上的果蝇物种被发现, 大部分的物种以腐烂的水果或植物体为食, 少部分则只取用真菌, 树液或花粉为其食物 体型较小, 身长 3~4mm 大约可存活 9d 左右 主要特征是具有硕大的红色复眼
2 果蝇 果蝇的生命周期在室温下一般为 2 周左右 成虫产出的受精卵只经 l 天的胚胎发育就孵化出幼虫 ; 幼虫经历两次蜕皮, 由第一期幼虫经第二期幼虫约 3 天时间发育成第三期幼虫, 第三期幼虫再经 2~3 天的化蛹过程形成蛹 ; 在蛹中约经过历时 5 天的变态, 然后孵出成虫 成虫孵出后在 12~14 小时内开始交配产卵, 产出的受精卵又开始进入下一个生命周期
果蝇作为模式生物的优点 1 生命周期短 2 个体小, 易饲养 3 具有几十个易于诱变分析的遗传特征, 并保持有大量的突变体 4 有比较简单的染色体组成, 且涎腺细胞中含有巨大的多线染色体 5 卵子发生过程已为早期胚胎发育积累了充分的营养, 且产出的卵子大, 易于观察 6 胚胎发育速度快 7 幼虫存在变态过程, 是分析器官芽细胞增殖机制的理想模型
3 斑马鱼 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 斑马鱼体长 4~6cm 体呈纺锤形 背部橄榄色, 体侧从鳃盖后直伸到尾未有数条银蓝色纵纹, 臀鳍部也有与体色相似的纵纹, 尾鳍长而呈叉形 雄鱼深蓝间柠檬色纵纹 ; 雌鱼蓝色间银灰色纵纹
荧光斑马鱼 透明斑马鱼
斑马鱼作为模式生物的优点 1 容易在实验室繁殖 2 适于进行细胞谱系分析 3 适于广泛的遗传分析
4 非洲爪蟾 又名光滑爪蟾, 负子蟾科 是南非的一种水生青蛙 非洲爪蟾的平均寿命为 5-15 岁, 一些还可以活到 20 岁 它们每年会脱皮一次, 并且会吃下脱下的皮 初春至晚夏间为繁殖期, 雌蛙每胎可产下 2000 颗以上的卵, 一年产卵多达 1~1.5 万颗
爪蟾作为模式生物的优点 1 易于实验室人工养殖 2 易于进行人工繁育, 产卵无时间限制 3 卵子较大, 且体外受精 体外发育 4 发育早期通过辐射状完全卵裂产生囊胚
5 小鼠 小鼠是由小家鼠演变而来 广泛分布于世界各地, 经长期人工饲养选择培育, 已育成 1000 多近交系和独立的远交群 小鼠 6~7 周龄时性成熟, 性周期为 4~5 天, 妊娠期为 19~21 天 ; 哺乳期为 20~22 天 ; 一次排卵 10~23 个 ( 视品种而定 ), 每胎产仔数为 8~ 15 只, 一年产仔胎数 6~10 胎, 属全年 多发情性动物, 繁殖率很高, 生育期为一年
小鼠作为模式生物的优点 1 小鼠体型小, 易饲养, 维持费用低 2 在遗传生理方面和人类相似, 在病理学方面研究所得成果可运用于人类身上, 是人类直接受益的模式生物 3 繁殖不受季节影响, 繁殖能力强
模式生物的应用 果蝇和线虫作为无脊椎动物发育生物学研究的模式物种已开创了分子发育生物学研究的先河, 奠定了分子发育生物学的基础 这 2 个物种之所以成为模型, 主要原因在于它们能将胚胎学和遗传学有效地结合起来 利用这 2 个物种, 研究者不仅能看见其发育过程中的胚胎, 而且能有效地诱导胚胎突变, 并能观察到其突变是如何扰乱正常发育的
模式生物的应用 斑马鱼繁育力强 体外产卵 体外受精且胚体透明, 是研究脊椎动物胚胎发育和人类疾病的重要遗传学模型之一, 特别是在母体产生的因子 ( 如蛋白质和 mrna) 对启动胚胎发育的影响 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
模式生物的应用 由于爪蟾是脊椎动物, 与人类及其他经济动物具有更为密切的关系, 其发育模型及调控机制与人类及其他高等动物更相似, 且与其他两栖动物一样, 具有较大的 易于观察分析的卵子, 因而有关脊椎动物的卵子发生 体轴决定 受精激活 卵裂与中囊胚转换 (midblastula transition) 原肠形成 神经胚形成 器官发生 核移植及体细胞克隆等有关发育生物学原理和知识基本上都是来自于爪蟾这一模式动物和其他相关两栖动物的研究成果 正是在这些研究成果基础上的演绎 推断和扩展 ; 构成了脊椎动物发育生物学的基本原型 因而, 爪蟾是脊椎动物发育生物学研究中一个非常重要而且典型的代表, 是脊椎动物胚胎学和发育生物学的奠基者
模式生物的应用 小鼠是人类的近缘亲戚的哺乳动物, 只有几千万年的进 化距离, 基因组与人类的近似, 已成为生物学 医学 分 子生物学 分子遗传学 免疫学等广泛领域的模式动物 随着基因打靶技术的日益成熟, 人工制作出来的基因突 变小鼠, 能揭示很多人类疾病的致病机理 基因突变小鼠 还可用于新药筛选, 为患者寻找能治疗疾病的有效药物
基因敲除技术 Wild Type Allele SpeI Exon10 Pst I Hpa I Exon11 Exon 12 Spe I Hind III Hind III External Probe TM1, 2 TM 3 Spe I TK Targeting Construct 3.8 kb short arm Neo 4.8 kb long arm
模式生物的研究意义 在人类基因组研究中十分注重模式生物的研究, 这是由于要认识人体基因的功能, 无法直接用人体作为实验对象 生物是从共同祖先演化而来的, 所以对生命活动有重要功能的基因在进化上是保守的, 也就是说, 这些基因的结构和功能, 在低等生物和高等生物中是相似的 因此, 可以用比较容易研究的生物作为模型来研究其基因的结构和生物学功能, 由此获得的信息可以应用于其他比较难以研究的生物, 特别是推测相似的人体基因的功能
模式生物的研究意义 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, 对人类疾病的治疗也有借鉴意义. 目前, 在国内外重要杂志期刊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 很多新药的研发和临床前试验都使用模式生物来检验药效 在发育生物学形成和发展过程中, 许多划时代的研究成果往往与一些模式生物相关 利用模式生物开展发育机制的研究, 具有便捷 高效 深入 系统和有利于成果的延展与应用等优势