模式生物-果蝇

• ataxin-2, ataxin-6（spinal cerebellar ataxia，SCA，脊髓小脑 共济失调）
几乎所有的神经退行性疾病的果蝇模型都是利用 UAS/Gal4系统构建的。
SCA3果蝇模型
Row1 Row2
a 野生型果蝇；b Q78强表达；c Q78弱表达；d Q61强表达 视网膜厚度
果蝇中常用的基因调控元件
Flp/FRT
Cre/loxP
UAS/Gal4(Gal80)
Flp/FRT
FRT white
FRT X Flp
Flp/FRT介导的突变体克隆
Cre/loxP
UAS/Gal4(Gal80)
利用UAS/Gal4系统易 位表达eyeless基因
果蝇中基因改造与调控元件的结合应用
FokI nuclease domain (Fn)
TALEN
CRISPR/Cas9
基因打靶与定点整合的结合
Genomic Engineering
SIRT (site-specific integrase-mediated repeated targeting)
IMAGO (integrase-mediated approach for gene knock-out)
Compound chromosome （复合染色体）
Duplications （重复）
Deficiencies （缺失）
平衡系染色体（balancer）
1、多个位点的大段倒
位，使之不能和正常染 色体发生重组。 2、带有隐形致死突变，
不能纯合。
3、带有显性表型标记，
易于辨别。
果蝇的系统命名法
Thomas Morgan 托马斯-摩尔根
摩尔根的学生，被誉为 “果蝇的突变大师”。 发现X线照射可引起基因 突变，为人工诱导突变 开辟了重要途径。 1946年诺贝尔生理学或 医学奖。
Hermann J. Muller 赫尔曼-缪勒
埃德华· 刘易斯 克里斯蒂纳· 福尔哈德 埃里克· 威斯乔斯
以果蝇为实验材料，筛选了上百个控制胚胎早期发育 的基因，揭开了胚胎如何由一个细胞发育成完美的特化器 官的遗传秘密。获得了1995年诺贝尔生理学或医学奖。
转到质膜
与Delta结合， 在位点2切割
在位点三切割
Notch末端转 运到核内
社会行为学
求偶
打斗 觅食 运动 趋光性 趋触性 昼夜节律
求偶
Mutants of fru gene
A movie for it!
打斗
A movie for it!
小
结
模式生物：科学研究中，用以揭示某种具有普遍规律性的 生命现象的生物物种。 由于生物进化的保守性，在某一种生物内的生物过程很可 能在高等生物（例如人）中也是类似甚至完全一样的。因 此研究人员可以利用一些技术上更容易操作的生物来研究 高等生物的生物学问题。 模式生物广泛应用于遗传学和发育生物学的研究中，常用 的模式生物有：大肠杆菌、酿酒酵母、秀丽线虫、果蝇、 斑马鱼、小鼠、大鼠、拟南芥、水稻等。 各模式生物各具优点，其研究成果不仅揭示特定物种的特 点，还有助于探索生物发育的普遍规律和机制。
转座子剪切 转基因 RNAi 基因打靶
化学诱变剂
(EMS, 甲基磺酸乙脂)
(TEM,三乙基三聚氰胺) (MMS, 甲磺酸甲酯 ),
(ENU, 乙烷基亚硝基脲)
( ICR-170, 吖啶诱变剂)
(Formaldehyde, 甲醛)
(DEB, 二环氧丁烷)
EMS 在果蝇基因组中平均每400kb可诱导一个点突变， 这一点突变80%是G/C到A/T的转换。
神经退行性疾病
• Amyloid precursor protein like, Presenilin（ Alzheimer’s Disease ） • huntingtin（Huntington’s diease） • Parkin（juvenile-onset parkinson’s disease，早发型帕金森氏 病）， • tau（frontotemporal dementia with parkinsonism, FTDP-17, 额颞叶痴呆型帕金森氏病）， • Notch（CADASIL syndrome, 伴有脑白质梗死的遗传性脑动脉 病） • ABCD1（adrenoleukodystrophy, ALD，肾上腺脑白质营养不 良）
应用： • 癌症
• 神经退行性疾病
• 免疫
• 衰老
• 行为学
黑腹果蝇生活史
果蝇的雌雄分别
雌
雄
sex combs
处女蝇（virgin female）
果蝇的性别决定
X染色体与常染色体的比例
=1，雌蝇 • • • • =0.5 雄蝇
X/Y, 2A 雌蝇 X/X, 2A 雄蝇 X/0, 2A 不育的雄蝇 X/X/Y, 2A 可育雌蝇
脊髓小脑共济失调
HSP70改善SCA3果蝇的神经退行表型
a 表达Q78 b 共表达Q78与HSP70 c HSP70（显性负效应）
d 共表达HSP70（显性负效应）与HSP70
HD果蝇模型
Notch受体蛋白的信号通路
果蝇神经细胞发育过程中由 Notch和Delta介导的侧抑制
在高尔基体 中进行第一 步切割形成 异源二聚体
BX：「双胸」突变果蝇 「同源异型转变」（homeotic transformation）：将身体一部分 构造变为另一相似构造的转变。造 成这类转变的基因就称为同源异型 基因（homeotic gene），主要为 转录因子。
基因的功能与身体发育有关
理查德· 阿克塞尔
琳达· 巴克
阿克塞尔和巴克以果蝇为研究材料，从分子 层面到细胞组织层面清楚地阐明了嗅觉系统的作 用机理，因而获得2004年诺贝尔生理学或医学奖。
f; cn bw; TM2/tra C(1)RM,y2/Y; In(2LR)O, Cy/Sco; ciD/eyD
果蝇基因的命名
配体 受体 信号分子
bride of sevenless（boss） sevenless
son of sevenless（sos）
染色体交换
雄蝇中不会发生！
黑腹果蝇不同性状
X射线
诱导突变
诱导有丝分裂交换
引起体细胞辐射损伤
转座子：可移动的遗传因子
Corn (maize) varieties
1983年诺贝尔生理学及医学奖
Barbara McClintock 1902-1992
转座子诱导的突变
正向遗传学 具有随机性，常常不能得到实验需要的突变体。 反向遗传学 转座子剪切 转基因
果蝇（Drosophila melanogaster）
果蝇的基本特点
果蝇相关的研究成果
果蝇的遗传操作工具 果蝇在人类疾病机制研究中的应用
果蝇的基本特点
果蝇相关的研究成果
果蝇的遗传操作工具 果蝇在人类疾病机制研究中的应用
主要优点： • 个体小，饲养成本低； • 生命周期短，繁殖能力强； • 遗传操作手段成熟，突变体资源丰富； • 有比较复杂的行为能力 • 基因组测序已经完成（2000年）。 染色体小：3对常染色体，1对性染色体 基因组大小约为120Mb 约13,600 基因 75%的人类已知致病基因中在果蝇中有同源序列
果蝇的基本特点
果蝇相关的研究成果
果蝇的遗传操作工具 果蝇在人类疾病机制研究中的应用
果蝇遗传学方法
正向遗传学
Phenotype
EMS
反向遗传学
Phenotype
Mutant
white1118
X chromosome
white
*
Mutant
X chromosome
Gene
Gene
*
自发突变 化学试剂诱变 射线诱变 转座子介导的突变
果蝇的基本特点
果蝇相关的研究成果
果蝇的遗传操作工具 果蝇在人类疾病机制研究中的应用
75%的人类已知致病基因中在果蝇中有同源序列
• 癌症
• 神经退行性疾病 • 免疫 • 衰老 • 行为学
癌症
RTK-RAS-MAPK信号通路
Hedgehog/Ci 信号通路
该通路与脊椎动物和非脊 椎动物的许多组织的发育 相关，能够促进细胞的分 化，过量的Hedgehog信号 能够导致癌症发生
果蝇资源
http://flybase.org/
果蝇突变体库
http://flystocks.bio.indiana.edu/
果蝇的基本特点
果蝇相关的研究成果
果蝇的遗传操作工具 果蝇在人类疾病机制研究中的应用
被称为“遗传学之父”。 用果蝇证实了孟德尔定律，发 现了果蝇白眼突变的性连锁遗 传，提出了基因在染色体上直 线排列以及连锁交换定律。 1933年诺贝尔生理学或医学奖。
Y染色体不是果蝇雌雄的决定因素，它只与育性有关。
黑腹果蝇染色体
多线染色体（polytene chromosome）：果蝇唾液腺中一种缆状的巨大染色体，由 核内有丝分裂产生的多股染色单体平行排列而成。
104
染色体重排
Inversion （倒位）
a b b a
Translocation（易位）
RNAi
基因打靶
转座子剪切
P-element介导的转基因
带有P-element及标记基因的质粒+del2-3质粒（提供转座子酶）
转化
显微注射
受精卵的准备
Syncitial blastoderm
Germ cells
phiC31介导的定点转基因
attP
fC31
attB
transgenic insertion
RNAi+Gal4/UAS
GAL4 driver + UAS eyeless RNAi
GAL4 driver + UAS-fmiRNAi
Flp/FRT+UAS/Gal4(Gal80)
镶嵌型分析的重要性
检测基因组织特异性功能
决定基因功能所在 细胞家系分析 将使突变细胞与正常细胞相邻，更好的相互比较。 对致死突变基因尤其重要，可以避开发育重要阶段 从而研究其后期功能。
attR
attL
Biblioteka Baidu
• Co-injection of attB-construct DNA with fC31 mRNA into attP embryos • ~ 10-50% integration rate
RNAi
基因打靶
果蝇基因打靶杂交流程
目标基因的断裂可增加同源重组发生的概率
ZFN
FokI nuclease domain (Fn)