发育生物学课程论文

发育生物学课程论文 The document was prepared on January 2, 2021

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学习记忆与某些认知行为的研究等都有果蝇的“身影”。

果蝇以发酵烂水果上的酵母为食，广泛分布于世界各温带地区。果蝇具有生活周期短、容易饲养、繁殖力强、染色体数目少而易于观察等特点，因而是遗传学研究的最佳材料。早在1908年由天才的遗传学家摩尔根把它带上了遗传学研究的历史舞台，约在此后30年的时间中，果蝇成为经典遗传学的“主角”。

科学家不仅用果蝇证实了孟德尔定律，而且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。摩尔根1933年因此被授予诺贝尔奖。1946年，摩尔根的学生，被誉为“果蝇的突变大师”的米勒，证明Ｘ射线能使果蝇的突变率提高150倍，因而成为诺贝尔奖获得者。在近代发育生物学研究领域中，果蝇的发生遗传学独领风骚。1995年，诺贝尔奖再次授予三位在果蝇研究中辛勤耕耘的科学家。果蝇为进一步阐明基因－神经（脑）－行为之间关系的研究提供了理想的动物模型。

专家认为，近一个世纪以来，果蝇遗传学在各个层次的研究中积累了十分丰富的资料。人们对它的遗传背景有着比其他生物更全面更深入的了解。作为经典的模式生物，果蝇在21世纪的遗传学研究中将发挥更加巨大而不可替代的作用。

2 以果蝇为实验模型所具有的诸多优势

基因、脑与行为的关系是脑与认知科学面临的重大战略性科学问题。不同物种的脑虽然在形态上迥然不同，但是在基因水平上却有很高的同源性，从而使脑具有相似的基本功能。在脑与认知科学中选择何种模式生物对于科研非常重要，有助于理解、预防和治疗相关性神经和精神疾病。诺贝尔奖得主坎德尔教授就曾选择海兔作为模式生物，成功地将各种行为包括将来的学习行为与突触的可塑性结合起来进行研究，确定了短时和长时记忆是如何储存在神经系统中的。而对于研究学习记忆所选择的主要模式生物就是本文要介绍的果蝇。这是为什么呢作为一个重要的模式生物，果蝇是探索生命奥秘的万能钥匙，以果蝇为模型有诸多的优势。

第一，果蝇的生命周期短，繁殖力强。第二，果蝇具有清晰的遗传背景，在2000年果蝇测序工作已基本完成，果蝇基因组有13000～15000个基因，所有果蝇的遗传密码已经清楚。根据果蝇的遗传密码以及相关的信息，研究人员已经在互联网上建立了各种各样果蝇的相关数据库，而其相对简单的神经系统也很有助于对其进行研究。第三，果蝇也具有多种多样的行为，果蝇可以进行学习，有的非常“聪明”，当然也有“傻瓜”。果蝇也可以发生老年痴呆，还会饮“酒”、吸“毒”并表现出相应的行为。重要的是果蝇可以睡眠，甚至做梦，还可以唱情歌。因此，以果蝇为模型，通过基因突变和行为筛选可以确定与学习记忆相关的候选基因，进一步通过反向遗传学方法，可能在不同物种中确定候选基因的调控机制及其学习记忆等行为中的功能。

最近，实验研究发现果蝇中心脑区的扇形体结构参与了调节视觉图形识别过程，并证实视觉模式的记忆定位在中央复合体中扇形体的平行分层细胞结构。这是首次对果蝇视觉学习记忆功能区的精确描述，说明了果蝇的记忆痕迹并不存储在某一通用的记忆中心。科学家已经发现果蝇能够进行嗅觉的联想记忆，那么视觉记忆是储存在脑中什么样的地方呢果蝇脑中有两个非常重要的结构。一个叫做蘑菇体，一个是中央复合体。后者包括脑桥、扇形体、小体等结构，周围是中央复合体的突触体，实验要看一下这些是不是对果蝇的视觉记忆产生影响。

通过研究发现，中央复合体可能与果蝇的视觉记忆的储存有密切关系，可在中央复合体的几个亚结构中究竟是哪个与此密切相关呢经过大量的实验以及对果蝇进行大量的筛选，终于把视觉记忆功能部位确定为扇形体。我们知道，人类分辨不同的图形是根据图像之间的不

同参数进行分辨，而果蝇进行图形的分辨同样

也可以根据不同的参数，比如可以根据图像的

高度、大小、颜色来分析不同的图形。果蝇的

扇形体结构共分6层，每一层均由几十个神经

元组成，并均赋予了非常特定的功能。比如有

的层的神经元负责处理不同图形的高度区别，

并且形成记忆，而另外层的神经元则对于大

小、朝向等其他参数进行处理并负责记忆。这样，扇形体不同的结构分工负责不同的参数，

最终形成视觉记忆。

3 果蝇的基因特征

果蝇具有二倍体的染色体组，并且只有四

对染色体。第一对是性染色体，其它三对为常

染色体。其中，第二、三两对常染色体，包含

了近80 %的遗传信息。第四对常染色体很小，只包含近2 %的遗传信息。这样一套“小”而“全”的染色体组使实验更容易操作。果蝇具有大量

影响神经系统和行为的单基因突变体。神经系

统功能是由基因的调控和蛋白质的合成来实现的。大多数果蝇突变体是用物理、化学和分子

生物学方法改变果蝇的基因结构获得的，由于

基因的改变造成其调节失控或蛋白质产物的改

变或缺失，进一步影响了特定的生理功能或行为。可以通过研究蛋白质在神经元及组织中的

时空表达模式，来发现基因是怎样调控神经系

统的发育和功能，并能更好地理解基因和行为

的关系。

图注：同源异形盒基因

美国《科学》杂志2000 年3 月24 日报道:果蝇基因组的测序工作已经结束，并确定了果

蝇细胞中包含约13600 个基因。这些工作是果蝇基因组计划(The Drosophila Genome Project) 的一个重要组成部分，是进一步确定果蝇基因的结构及其生物学意义的重要基础，

为最终完成人类基因组计划(Human Genome Project) 提供理论指导和技术支持。在对果蝇与人类基因的比较中发现，三分之二引发人类

疾病的基因(包括与脑疾病、神经分化以及癌症有关的基因) 在果蝇基因组中存在着相似基因。这些发现说明以果蝇为模型进行基础研究

为最终战胜人类疾病有着巨大的实用价值。

4 果蝇的脑结构

果蝇的脑主要指食管上神经节，大约有105 个神经元，可分为3 个区域:前脑，中脑和后脑。前脑包括高级感觉中心，如蘑菇体(Mushroom Bodies) 和中央复合体(Central Complex) 。

蘑菇体是果蝇脑中一对对称的结构，每个

包括大约2500 个神经元。蘑菇体经其萼叶(Calyx) 接收从嗅叶(Antennal Lobe)来得嗅觉信息。蘑菇体对于嗅觉学习记忆非常重要，类

似哺乳动物的海马(Hippocampus) ，是整合多

种感觉输入及形成记忆的部位。中脑主要包括

天线触觉区(Antenna) ，而后脑主要包括内分

泌神经元和控制进食与消化的运动神经元。

果蝇脑中神经元之间的信息传递是通过神

经肽来实现的。神经肽由蛋白质前体经修饰得来，大小从3 个氨基酸残基到50 多个氨基酸

残基不等。目前许多编码神经肽的基因已经确认，并运用分子遗传学方法分析神经肽受体和

第二信使通路取得了显着的进展。神经肽作为

信使在果蝇的神经系统中已发现了100 多种，这些神经肽在果蝇神经系统中分别承担着荷尔蒙、神经递质和神经调质的作用。一种神经肽

可能会在不同的位点和不同的水平(中央神经回路，外周神经回路以及外周靶位) 起作用。每

个神经回路都包括感觉神经元、中间神经元和

运动神经元，而不同神经回路在神经元水平存

在着重叠。神经肽是通过调节不同神经回路的

时空活动模式来影响行为输出。

图注：果蝇跨模态学

习的相互作用

5 果蝇的行为

行为是有机体最复杂的表现形式，它是一

个动力学过程，涉及有机体的功能和对不断变

化的外部环境的反应。果蝇的行为主要包括运动、梳理、进食、相互通信、飞行、迁移、学习、繁殖以及对环境变化，如温度、湿度等产

生的各种反应。一般认为行为是动物对外界刺