模式生物

模式生物

生命科学学院生物科学专业 0901班杨柳学号：2009044020124

早在20世纪最初的20年中，甚至更早到20世纪的“上世纪”，人们就发现，如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上则发育的现象难题可以得到部分解答。因为这些生物的细胞数量更少，分布相对单一，变化也较好观察。由于进化的原因，细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性，所以利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研究发育共通规律是可能的。尤其是当在有不同发育特点的生物中发现共同形态形成和变化特征时，发育的普遍原理也就得以建立。因为对这些生物的研究具有帮助我们理解生命世界一般规律的意义，所以它们被称为“模式生物”。

我们应用的模式生物的特点有:

1)生理特征能够代表生物界的某一大类群；

2)容易获得并易于在实验室内饲养繁殖

3)容易进行实验操作,特别是遗传学分析。

其中常见的模式生物有:

[海胆]seaurchin是最早被使用的模式生物,主要用于早期发育生物学(受精,早期胚胎

发育).1891年,HansDriesh在显微镜下把刚刚完成第一次卵裂的海胆胚胎一分为二,发现分开后的两个细胞各自形成了一个完整幼虫,证明了胚胎具有调整发育的能力.为现代发育生

物学奠定了第一块观念里程碑。[黑腹果蝇]fruitfly,Drosophilamelanogaster主要用于遗传和发育研究其特点为:繁殖迅速,染色体巨大,易于进行基因定位.由14个体节构成的躯干完全对称,一套基因控制了这些体节从上到下的发生过程,这套基因普遍存在于从昆虫到人

的基因组中,是决定机体左右对称布局形成的最基本因素.

[秀丽隐杆线虫]nematode,Caenorhaditiselegans特点:1)通身透明,长不过1mm ；2)

身体中所有细胞能被逐个盘点并各归其类，幼虫:556个体细胞,2个原始生殖细胞；成虫:

雌雄同体成虫:959个体细胞,2000个生殖细胞；雄性成虫(偶见):1031个体细胞,1000个生殖细胞；3)生命周期短,从生到死仅为三天半,使得不间断地观察并追踪每个细胞的演变成为可能；4)把线虫浸泡到含有核酸的溶液中可实现基因导入；[酵母]特点:1)是单细胞生物,

可在基本培养基上生长,可通过改变物理或化学环境完全控制其生长2)在单倍体和二倍体

的状态下均可生长,并可在实验条件下控制单倍体和二倍体之间的相互转换,这对其基因功

能的研究十分有利3)有将近31%编码蛋白质的基因或ORF与哺乳动物编码蛋白质的基因有高度的同源性[斑马鱼]zebrafish和[非洲爪蟾]southAfricanclawedtoad是目前最常用的两

种模式低等脊椎动物。斑马鱼特点:1)产卵多,繁殖迅速2)胚胎通体透明,是进行胚胎发育机理和基因组研究的好材料。非洲爪蟾特点:1)卵母细胞体积大,数量多,易于显微操作,还可制成具有生物活性的无细胞体系,易于生化分析,在卵母细胞减数分裂机理研究中有重要作用。

[小鼠]mouse，17世纪开始用于解剖学和动物实验,经长期人工饲养选择培育,已育成千余个独立的远交群和近交系,是生物医学研究中广泛使用的模式生物,是当今世界上研究最

详尽的哺乳类实验动物.1999年,美英几家大型科研机构成立了老鼠基因组测序的合作团

体,2002年8月公布了老鼠基因组物理图谱的框架,完整的老鼠基因组图谱预计于2005年完成。

我这里说的仅限于分子生物学研究，一般的分子生物学研究都是用模式生物的，我想说说怎样选择一个合适的模式生物，根据我查的资料，第一是要很清楚要研究什么问题，这个很重要。第二才是选择模式生物。我个人认为选择模式应当有两条原则，第一条是选择的模

式生物必须可以用来研究想要研究的问题，第二是如果有多个模式生物符合第一条，那么尽量先选择最简单的一种。下面具几个例子。上世纪八十年代初的时候，一些人开始研究细胞周期的调控。细胞周期调控一般来说指的是有丝分裂的调控，所以只能选择真核生物，大肠杆菌就不行了。所有的真核生物都要进行有丝分裂，理论上选那个来研究都可以，这个时候就要选择最简单的，也就是单细胞的。实际上当年研究细胞周其主要用了三种常见模式生物：酵母，海胆和爪蟾。其中海胆和爪蟾用的都是卵，也都是单细胞的，简单。用酵母是因为酵母遗传学很发达。用海胆是因为可以得到许多细胞周期同步的卵，便于用生化方法研究。用爪蟾的卵是因为它比较大，便于进行显微注射检测体内活性。细胞周期是2001年的Nobel

生理医学奖，我认为是分子生物学历史上很经典的例子，过一阵子有空我会把故事详细写下来。再说另一个例子，就是细胞凋亡的研究。只有多细胞生物才会进行凋亡，单细胞生物是不会的。（最近由文章指出单细胞生物也有凋亡，不过还存争议）那么单细胞生物就不能用来研究凋亡，理论上任何多细胞生物都可以。事实上细胞凋亡的研究使用的正是最简单的多细胞模式生物：线虫。这个是2002年的Nobel生理医学奖。再说如果要研究骨骼发育，那么必须要用脊椎动物，无脊椎动物是无法来研究的。最简单的脊椎动物模式生物是斑马鱼，所以这是个很好的模型。由于很多分子机理从酵母到人都是类似的，所以在低等生物里的研究成果可以比较容易的推广到哺乳动物。不过即使细胞周期这样的很基本的过程也有很多人再用小鼠或人做模型来研究，这个是因为虽然细胞周期的调控在人里和在酵母里很相似，毕竟还是有不同的，用小鼠研究细胞周期是为了了解哺乳动物细胞周期的调控，要研究的问题不一样了。

在各种模式生物中, 酵母是最早被认识、研究得最深入的真核生物之一, 也是分子生物学研究的常用模式物种。其中, 酿酒酵母和裂殖酵母已经完成全基因组测序、转录组分析、蛋白相互作用网络图, 被广泛用于表观遗传研究。酵母作为模式生物在研究基因组稳定性方面具有许多优势: (1) 酵母在单倍体和二倍体的状态下均能生长, 并能在实验条

件下相互转换, 对其基因功能的研究十分有利; (2)酵母的生命周期短, 基因组小, 易操作, 适合经典的遗传学分析; (3) 酵母与一些复杂的生命形式具有很多相同的生命行为, 特别

在细胞周期调控、减数分裂和DNA 修复方面与人类基因具有高度同源性。更重要的是, 目前已发展了一些非常有效的技术使得酵母基因组中的任何一个基因均能被突变的等位基因取

代甚至完全缺失。因此, 酵母作为一种模式生物已广泛应用于表观遗传学研究。近几年来以酵母为模式生物研究DNA 损伤修复过程和异染色质形成机制已经取得了长足的进展,揭示了基本的生命现象, 为表观遗传学研究生物体维持基因组稳定性机制提供了良好的启示和理

论基础。这些已报道的研究主要集中于组蛋白修饰领域,涉及到两大方面: 一是建立一个稳定的染色质环境,通过修饰划分常染色质和异染色质的不同区域; 二是统筹与DNA 相关的生物功能, 包括基因的表达调控、DNA 损伤修复、染色质浓缩等过程。近期利用裂殖酵母作为模式生物研究RNAi 指导的组蛋白修饰也有了一定的进展。最新的研究发现, 非编码RNA 不仅参与染色质结构改变, 还能够指导与基因表达调控相关的DNA 甲基化和组蛋白修饰[14], 在表观遗传机制中可能占主导的地位。其中, 由siRNA介导的RNA 干扰(RNAi)途径在裂殖酵母细胞周期调控和异染色质形成机制领域研究最为广泛。通常,RNAi 需要由特殊的蛋白介导, 与高等真核生物不同, 这些蛋白基因在裂殖酵母中只含有单拷贝, 这使得裂殖酵母成为研

究RNAi 非常理想的模式生物。可见, 对非编码RNA 的研究将成为今后以酵母为模式生物研究表观遗传学的热点。另外, 与高等动植物相比, 大多数真菌基因组DNA 中胞嘧啶甲基化程度很低或不存在甲基化。例如, 在酿酒酵母中胞嘧啶甲基化程度几乎为零[15], 而裂殖酵母胞嘧啶甲基化程度也小于0.1%。因此, DNA 甲基化对于大多数酵母菌可能是非必须的。本文以酵母为模式生物, 着重论述了表观遗传修饰在DNA 损伤修复和异染色质形成方面的研究