神奇的模式生物—秀丽隐杆线虫

神奇的模式生物—秀丽隐杆线虫

摘要：本文对秀丽隐杆线虫的模式生物一般特征入手，介绍了线虫形态学、生物学特征和繁殖、基因组和遗传学等方面的内容。

关键词：秀丽隐杆线虫模式生物基因组

最近，秀丽隐杆线虫用于生物实验材料倍受科学家们的关注。进入21世纪以来，已经有六位科学家利用秀丽隐杆线虫为实验材料揭开了生命科学领域的重大秘密而获得了诺贝尔奖。1974年英国科学家悉尼·布雷内（Sydney Brenner）第一次把秀丽隐杆线虫作为模式生物，成功地分离出线虫的各种突变体，发现了在器官发育过程中的基因规则而获得了2002年诺贝尔生理学或医学奖。与悉尼·布雷内共同分享诺贝尔奖的有两名科学家，其中一位科学家是英国约翰·苏尔斯顿（John E. Sulston），通过显微镜活体观察线虫的胚胎发育和细胞迁移途径，于1983年完成线虫从受精卵到成体的细胞谱系。另一位科学家是美国的罗伯特·霍维茨（H. Robert Horvitz），是利用秀丽隐杆线虫作为研究对象进行了“细胞程序性死亡”研究。

克雷格·梅洛（Craig C. Mello）和安德鲁·菲尔和（Andrew Z. Fire）利用秀丽隐杆线虫实验发现一种全新的基因调控方式—RNA干扰（RNAi）而获得2006年诺贝尔生理学或医学奖。

此外，Martin Chalfie证明了GFP(绿色荧光蛋白)作为多种生物学现象的发光遗传标记的价值。在最初的一项实验中，他用GFP使秀丽隐杆线虫的6个单独细胞有了颜色，由此获得了2008年化学奖。

究竟什么原因使秀丽隐杆线虫成为如此富有盛名的实验材料？

1.秀丽隐杆线虫一般特征

秀丽隐杆线虫是一种食细菌的线形动物，学名是Caenorhabditis elegans，通常缩写成C.elegans其成体长仅1mm，全身透明，以细菌为食，居住在土壤中，被称为“自由生活线虫”。

1.1分类地位

秀丽隐杆线虫属于线虫门（Phylum nematoda）、侧尾腺纲（Secernentea）、小杆线虫目（Rhabditida）小杆线虫科（Rhabditidae）小杆线虫属（Caenorhabditis）。线虫门包括自由生活和寄生两种类型，秀丽隐杆线虫属于自由生活线虫类，对人类没有危害。

1.2形态

秀丽隐杆线虫呈蠕虫状，虫体的断面来看有两个大管道把体腔分为两部分，两侧对称，体表有一层角质层、下皮曾和肌肉层以及由神经细胞所组成的体壁，体腔内有肠，成体还有生殖腺。秀丽隐杆线虫都是非常简单的动物，常见的雌雄同体成虫成熟后含有959个体细胞，而稀少的雄成虫是1031个体细胞所组成。

1.3成长发育

线虫生长与发育的模式相类似。卵内胚胎发育以“不均等卵裂”和异时卵裂（asymmetric）的方式进行，分裂成5个始祖细胞后各个细胞再分化成线虫的各部分。线虫的卵孵化后经过四阶段幼虫期，区分幼虫期以蜕皮为标志，同时线虫随龄期，大小也有所差异。第四次蜕皮后转变为线虫成体，线虫成体后大小也在长。最近的发现的线虫发育过程中有趣的现象。当环境中食物短缺或者遇到不良环境时时，3、4龄幼虫和成虫会死亡，而2 龄幼虫会进入一个特殊的滞育时期（dauer）以过困境,滞育时期约二个月，当食物供应回正常时，2龄幼虫会从滞育回到正常的发育。

1.4繁殖

性别为雌雄同体或雄性，雌雄同体是指同一个体内产生卵子和精子形成受精卵，能够繁殖下一代。自然状态下雄性个体以非常低的比率出现。经过交尾雄虫把精子送给雌雄同体，而且这种受精方式比雌雄同体具有更高的受精率。但是，雌雄同体之间是不能交尾。一个雌雄同体的成体能产下300个左右的卵，卵孵化后经4龄期幼虫阶段以后生长为成体。在20℃下，卵孵化、生长发育成体后产下第一粒卵，需要52小时。

1.5细胞分裂

秀丽隐杆线虫由胚胎发育到成体，始终保持着固定的体细胞数目，不会有变化。秀丽隐杆线虫是唯一一个所有体细胞能被逐个盘点并各归其类的生物。雌雄同体成虫有959个体细胞，雄成虫有1031个。且每一个体细胞的发育情况都研究得较为清楚，已经建立了完整的线虫从受精卵到所有成体细胞的谱系图。这意味着，它机体里每一个细胞的来龙去脉都处于我们的视野中。这个细胞世系（cell lineage）的规律在线虫个体之间是几乎不变的。因此，线虫的细胞一旦分化结束后，既是受伤细胞也不会再生。这种线虫的细胞不能像哺乳动物细胞株那样细胞培养。

2、基因组

2.1基因组的构成

线虫的基因组大小为9.7x107 碱基对，相比之下人类的基因组大小是3x109，是线虫基因组的30倍以上。线虫的基因组的80%是单拷贝序列，剩余20 %的序列是以2-10重复序列存在，其中有趣的现象是存在一个叫做Tc1的转座子。转座子就象其名称一样从基因组内可以移动的，可以插入到重要基因内部，引起自

发突变的现象。用作野生型的Bristol N2 秀丽隐杆线虫中存在着约30个左右的Tc1的转座子。不同线虫株系所含有的Tc1的转座子数目不等，有含有300个Tc1转座子。转座子是科学家们对线虫遗传学，分子生物学研究的重要研究工具。与线虫的淳朴的外表相反，结构与功能具全的多细胞生物，不愧是整个生物学领域研究中的“全能”的实验材料。

2.2基因组特点

所有的秀丽隐杆线虫的基因分布在6个连锁群中，6个连锁群中代表单培体染色体。换句话说，秀丽隐杆线虫细胞有6对染色体，其中，5对常染色体和一对性染色体。不过这种线虫的染色体中不存在哺乳动物的着丝粒一样的结构。线虫染色体中与纺锤丝相连的着丝粒是分布于整个染色体中，称作散漫着丝粒。

2.3 线虫的遗传分析

雌雄同体的线虫，自体受孕产生下一代个体，并有较短的繁殖周期，这种特性便于通过消除基因的功能或获得基因的功能的方法诱导线虫突变体研究。诱导突变体的常用方法是利用甲基磺酸乙酯（Ethylmethanesulfonate，EMS）化学诱变。甲磺酸乙酯（EMS）能使鸟嘌呤（G）的N位置上带有乙基而成为7-乙基鸟嘌呤，这种鸟嘌呤不与胞嘧啶（C）配对而与胸腺嘧啶（T）配对，从而使DNA 序列中G—C对转换成A—T对。除此之外还有多种诱导突变体的方法，利用突变体阐明基因功能。

雌雄同体的在保存突变体的基因非常卓越。由于雌雄同体线虫能自孕，一旦诱导的突变个体只要进行培养就可以获得大量突变体，显然比两性交配繁殖的模式生物更便利的优点。

3.人工培养

秀丽隐杆线虫成为生物实验的好材料的原因之一是由于这种线虫惊人的生长速度。线虫卵孵化、生长发育成为成虫再产卵，即完成一个世代仅需要四天时间。一般来讲，人类完全成长需要十五年以上的时间，其他一些动物也需要数年不等的时间才能完全成长。孟德尔揭示遗传规律选用的实验材料豌豆，种子播种到出苗、生长、开花结果也需要几个月的时间。相比之下，秀丽隐杆线虫是观察细胞分裂，研究个体发育最合适不过的实验材料。

首先，线虫的个体小，一般50 mm大小的培养皿内可以培养数百个线虫，因此，大量的培养不必要担心培养空间的问题了。人工培养线虫的食物是鸟嘧啶营养缺陷型的大肠杆菌菌株OP50。正因为是利用大肠杆菌，所以容易培养和保存。另外，线虫是雌雄同体，只要挑取几条线虫置于有大肠杆菌的培养基上，放入培养箱就线虫很好生长了。与哺乳动物细胞培养相比不需要人工调控CO2浓度，只要控制好温度，线虫生长良好。

综上所述，秀丽隐杆线虫结构简单，且透明，可进行活体冻存和复苏器官和