第四章 研究发育生物学的模式生物

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第一节 华美广杆线虫
• 一．华美广杆线虫的分类地位 • 华美广杆线虫是一种长为1 mm，自由生活于土壤 中的小线虫，隶属于线形动物门(Nemathelminthes)线 虫纲(Nematoda)小杆线虫目(Rhab—ditida)广杆线虫属 (Caenorhabditis)。就其与人类的关系来说，华美广杆 线虫在现已记录的大约2万种(估计可能有4万～1 000万 种)线虫中，并不是最重要的线虫，所以在我国，即使 是从事生命科学研究的学者对其还相当陌生。然而，线 虫的确与人类生活密切相关。一提起寄生于人类肠道中 的蛔虫、钩虫和蛲虫及寄生于人的淋巴系统内的丝虫曾 经给人类带来的危害和痛苦，有谁会不为之惧怕呢?其 实这些病原寄生虫都属于线虫一类。不同的是，华美广 杆线虫不是寄生线虫，而是生活于土壤中、以细菌为食 的一种自由线虫。
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第四章 研究发育生物学的模式生物
理想的研究系统是科学发展的关键。在发育生物学的形成和发展过程中， 许多划时代的突破往往与一些模式物种相关。今天，当我们回顾精子和卵子 的发现及精卵受精这一重大发育生物学问题的诠释时，就会想起1 9世纪后 期一批欧洲胚胎学家用海胆(seaurchin)所进行的一系列观察；当我们津津乐 道1 995年度的诺贝尔奖获得者Ed，ward B．Lewis、Christiane Nusslein— Volhard和Eric F．Wieschaus关于早期胚胎发育基因调控的重大发现时，无 不羡慕他们继承了基因学说的创建者FhomlaS Hunt Morgaln等的优良传统， 选用果蝇这一绝好的模式动物；当1 997年和1 998年全世界的人们惊叹克隆 羊、克隆牛和克隆鼠的诞生及体细胞克隆技术日臻成熟时，发育生物学研究 者所思索的则是20世纪六七十年代英国发育生物学家John Gurdon．用非洲 爪蟾这一有着王者之称的模式脊椎动物所进行的有关体细胞核移植的开创性 研究工作。特别是20世纪90年代分子发育生物学兴起后，模式生物显得更为 重要。本章将着重介绍现今仍广泛用于发育生物学研究的几种典型模式物种 的生物学特性及其被用做研究模型的原由。
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• 主要优点 1. 体积小，易于繁 殖； 2. 产卵力强； 3. 性成熟短； 4. 易于遗传操作： 如诱变； 5. 基因组序列已全 部测出 (Science, Mar. 24, 2000)。(120Mb encodes 13,601 proteins)
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第二节 果 蝇
• 一．果蝇的两个重大贡献 • 谈起果蝇，已学过遗传学的人大概无人不知。自1 9 1 O年遗传学泰斗Thomas Hunt Morgan发现其第 一个突变体白眼果蝇以来，其作为模式生物的历 史已有90多年。正是以它为模式生物，Morgan和 他的一批弟子们才从有关性连锁、性染色体、多 线染色体和伴性遗传等遗传规律的发现中提出了 基因论，奠定了现代遗传学的基础，并由此使 Morgan获得了1 933年的诺贝尔生理和医学奖。 也就是从那时开始，生物学家才普遍认识到模式 生物在生命科学研究中的重要作用。
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三．基因组大小及其基因组成
• 华美广杆线虫是继病毒、细菌和酿酒酵母之后 基因组已经被完整测序了的第一个多细胞动物， 其基因组由97兆碱基组成。在这97兆碱基中，， 预计含有1 9 099个编码蛋白的基因，即平均每5 kb含有1个基因。每个基因平均含有5个内含子， 基因组的27％被预期的外显子占据。与以前基于 部分少量序列所作的估计相比，由完整基因组序 列所预测的基因数要多得多。其基因量大约是酿 酒酵母的3倍，是人类的1／5～1／3。 • 将华美广杆线虫中的1 8 89 1个蛋白与酿酒酵母的 62 1 7蛋白、大肠杆菌的4289个
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三．果蝇作为模式生物的优点
• 果蝇的生命周期短，在实验室条件下，一般12 d就可完成 一次世代交替。 • 个体小(成虫的长度仅为2 mm)，给予很少一点适宜食物在 实验室就能饲养一大群。 • 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。 • 有比较简单的染色体组成，只有4对染色体，且唾腺细胞 中含有巨大的多线染色(p01ytenic chromosome)o ， • (5)卵子发生过程中已为早期胚胎发育积累了充分的养料， 且产出的卵子大，易于又见察。 (6)胚胎发育速度快， 前13次卵裂每次只间隔9min，细胞核成倍增加成为一个 合胞体(syncytium)，其胚胎发育过程是观察分析卵裂、早 期胚胎发生和躯体模式形成等发育调控机制的绝佳材 料。 ， • (7)幼虫存在变态过程，是分析器官芽(imaginal disc)细胞 增殖机制的理想模型。
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二、果蝇的分类地位及其生命周期
• 果蝇的分类地位归属于节肢动物门、昆虫纲、双翅目、果 蝇科、果蝇属，其学名全称为黑腹果蝇，现一般简称果蝇。 在自然界，果蝇一般以腐烂的果实为食。 • 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 d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 d时间发育成第三期幼虫， 第三期幼虫再经2～3 d．的化蛹过程形成蛹；在蛹中约经 过历时5 d的变态，然后孵出成虫。成虫孵出后在12～14 h 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(图4—3)。果蝇成虫的长度为2 mm，大约可存活9 d左右。
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二．作为模式生物的优点
• 近30年来的研究表明，华美广杆线虫的确 是分子发育生物学及细胞生物学、分子生 物学和神经生物学研究的极好模型。 • 作为模式生物，华美广杆线虫的主要优 点如下：
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•
①可在实验室用培养皿培养。由于以细菌为食，在实验室培养 时，一般是先让琼脂培养皿长满细菌，再接种线虫。 • ②生命周期短(一般为3.5d)，胚胎发育速度快。在培养温度为1 6度，胚胎发育期为1 8h；在培养温度为25度，胚胎发育期为1 2 h。 • ③存在雌雄同体(1lermaphrodite)和雄性两类不同生物型，主 要是雌雄同体生物型，见图4—1(A)。在雌雄同体生物型中，每 尾线虫既含有卵子又含有精子，精卵在体内受精，胚胎在生殖腺 管内发育，幼虫由阴门(vulva)产出。雌雄同体个体自体受精的结 果可产生非常纯合的基因型。雌雄同体个体性别决定的染色体机 制为X．X型。在偶然情况下，可产生大约O．2％的XO雄性个 体。XO雄性个体可与雌雄同体个体交配产生后代，从而增加了 基因重组和新等位基因引入的机会。 • ④体细胞数量少，由于透明可见，易于追踪细胞分裂谱系。产 出的幼虫含有556个体细胞和2个原始生百度文库细胞，见图4—1(B)， 幼虫经4次蜕皮后变为成虫。若成虫为雌雄同体个体，则含有959 个体细胞和大约2000个生殖细胞；若成虫为雄性个体，则含有 103 1．个体细胞和大约1 000个生殖细胞。
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第三节爪 蟾
• 一、爪蟾的分类地位及其作为模式生物的意义 • 爪蟾的全称为光滑爪蟾(．Xenopus laevis)，它属于脊椎动 物两栖纲(Amphibia)、无尾目(Anura)、负子蟾科 (Pipidae)、爪蟾属(Xenopus)。因产于非洲，又名非洲爪 蟾，现一般简称为爪蟾。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最重要而又最典型的代 表，是脊椎动物胚胎学和发育生物学的奠基者。图4—4是 光滑爪蟾的生命周期示意图。
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• 1978年长期在美国加州理工学院从事果蝇遗传和发育研究 的Edward B．I．ewis发表了他几十年来关于基因复合体如 何控制体节发育这一划时代的论文时，才又重新激起了欧 洲分子生物学实验室两位年轻发育生物学家的研究热情， 他们也选用这一给众多遗传学家带来好运的果蝇，作为他 们开创科学研究生涯的模式生物，并试图搞清楚受精卵是 如何发育成分节的胚胎的。他们采用饱和诱变的方法随机 破坏近一半的果蝇基因，然后通过显微观察来研究和分析 影响体轴形成和分节模式的基因，并由此鉴定出1 5种不同 的由于突变引起体节缺陷的基因。当他们的研究结果在1 980年秋季发表后，立即受到_批发育生物学家的关注。由 于他们选用了好的模式生物，并采用了新颖有效的实验手 段，使得其他学者，特别是当时的年轻学者有勇气0有信 心去鉴定和寻找其他物种内控制发育的基因。很快，人们 在其他高等生物和人类细胞中发现了同样的或类似的基因， 并证明这些基因在发育过程中执行了相似的功能。这两位 用果蝇作为模式生物开创分子发育生物学研究的学者就是 1 995年与LewiS一起分享诺贝尔生理和医学奖的 Christiane Nusslein—V01．hard和EricWieschaus.
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• 蛋白及目前可利用的人类的4979个蛋白进行比较 分析后发现，人的4979个蛋白中有74％可在线虫 中找到对应蛋白，线虫有36％的蛋白可在现知的 人类蛋白中找到相关蛋白。总的比较结果表明， 较小的基因组有较多的组分与较大的基因组相匹 配，且较大的基因组含有更多可与之对应的蛋白 (图4—2)。有趣的是，线虫中没有发现在酿酒酵 母和大肠杆菌中都能与之匹配的蛋白。当然，尽 管线虫的基因组已全部测序，但已做过遗传分析 的蛋白基因还只占其基因总数的10％～25％。-因 此，有关线虫基因的真正研究可以说是刚刚开始， 前面还有很长的路要走。
• 由于果蝇具有以上优点，近年来仍然被广泛用做分子发育 生物学研究的模型。在其胚胎发育的梯度假说被证实后， 已鉴定出了几个在卵子中形成梯度、调节细胞定位和分化 并决定胚胎发育方式的成形因子；在位于卵子后极和种质 (germ plasm)中发现了为种系细胞导向的蛋白因子． • 有趣的是，在1 997和1 998连续两年被《科学》杂志称为 当年十大重要突破成就之一。关于调控生物昼夜节律生物 钟基因的研究也多半是在果蝇中完成的(Bloom 1 998)。 • 果蝇的基因组大约为1 80 Mb，其常染色质部分约为120 Mb。到2000年3月，常染色质部分的全部碱基序列已基本 确定，其基因组大约编码1 3 600个基因，在数量上比线虫 还要少，但这些基因具有明显的功能多样性(Adams et a1．2000)。
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• ⑤能观察到生殖细胞的发生及种质颗粒的传递过程。胚胎发 育的细胞分裂为不对称分裂，种系(germ 1ine)细胞中的种质颗 粒(germ line granule)或P颗粒。(P granule)在细胞分裂过程中仅 分配到形成种系细胞的细胞质中。细胞谱系研究表明，受精 卵(又称为P0种系细胞)的第一次卵裂产生AB创建者细胞和种 系细胞P1，种系细胞P1再次分裂后形成创建者细胞EMS和种 系细胞P2，P2进一步分裂后形成创建者细胞C和P3种系细胞， P3种系细胞再分后形成D创建者细胞和P4种系细胞。到幼虫 产出时，AB细胞经分裂和进一步分化产生包括皮下细胞、神 经细，胞、咽肌细胞、分泌腺细胞和1个体肌细胞在内的共 389个细胞；EMS细胞经分裂为MS和E2个创建者细胞后，MS 细胞再经分裂和分化出包括体肌细胞、咽肌细胞、神经细胞 和分泌腺细胞在内的80个细胞，E细胞则形成构成肠子的20个 细胞；C细胞经分裂和分化出包括皮下细胞、体肌细胞和2个 神经细胞在内的47个细胞；D细胞则形成20个体肌细胞；而此 时种系细胞P4才开始分裂出2个生殖细胞Z2和Z3(图4—1)。