模式生物在科学研究中的重要作用

综述

模式生物在科学研究中的重要作用

摘要：模式生物是科学研究的重要材料，理想的研究系统是科学研究的关键。目前常见的用于科学研究的模式生物有噬菌体、大肠杆菌、酵母菌、线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠、拟南芥等，它们对生命现象的揭秘和人类疾病治疗的探索等都做出了巨大的贡献。通过对它们的优势、发展前景等的了解，我们可以更深刻的了解到模式生物在如今的科学研究中的重要作用以及推动生命科学研究及医学进步的不可替代的巨大潜力。

关键词：模式生物；发育生物学；基因组。

早在20世纪最初的20年中，甚至更早到19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，基因组测序较简单，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”。

模式生物具有许多共同的特征，如形体相对较小，在实验室内易于培养和繁殖，世代周期短，形态结构相对比较简单，繁殖系数高（后代数量众多）等，而且通常情况下它的基因组会比较小。前两点是出于实验室空间考虑，而世代周期短是出于研究时间的考虑；形态结构的简单性能够减少特有生命现象的干扰，以便使人们更专注于生物遗传发育的基本规律。

除了在遗传学研究外，模式生物研究策略在发育生物学中获得了非常广泛的应用，一些物种被大家公认为优良的模式生物，最常见的模式生物有：逆转录病毒（retrovirus），大肠杆菌（Escherichiacoli）,酵母(buddingyeast(Saccharomycescerevisiae),fissionyeast(Schizosaccha romycespombe))，华美广杆线虫（Caenorhabditis elegans），果蝇（Drosophilamelanogaster），斑马鱼(zebrafish)，小鼠（mouse）等。此外模式植物包括：拟南芥（Arabidopsis），水稻（Rice(OryzasativaL.)）等。

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生物有关。以以下几种模式生物为例：

1.华美广杆线虫（Caenorhabditis elegans）

华美广杆线虫是一种长1mm的自由生活与土壤中的小线虫，线虫的确与人类的生活密切相关，一提起寄生于人类肠道中的蛔虫（Ascaris lumbricodes）、钩虫（Ancylostoma duodenale）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，有谁不为之惧怕呢?研究发现，华美光广杆线虫更易进行科学研究和观察，所以科学家决定将其作为线虫的研究对象。

作为模式生物，华美广杆线虫具有以下优点：可在实验室用培养皿培养；生命周期短，胚胎发育速度快；存在雌雄同体和雄性两类不同生物型，（主演是雌雄同体生物型），雌雄同体个体自体受精的结果可产生非常纯合的基因型，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；体细胞数量少，由于透明可见，已与追踪细胞分裂谱系；能观察到生殖细胞的发生及种质颗粒的传递过程。

将华美广杆线虫作为模式生物研究的先锋是分子遗传学家Sidney Brenner。他在20世纪70年代初最先进行的遗传学研究中发现了该线虫作为模式生物的优点，即用它作为模型研究系统，将有可能鉴定参与发育调控的每一个基因及追踪每一个单细胞的谱系线虫的生命周期很短，它从生到死的全过程只有3天半，这就使得不间断的观察并追踪每个细胞的演变成为可能。只要把线虫浸泡到含有核酸的溶液中，就可以用这种最简单的方式实现基因导入。线虫还可以被冻在冰箱里储存，复苏之后继续研究。近30年来的研究表明华美广杆线虫的确是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。到90年代中期，人们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，清晰并且无所遗漏。

2.果蝇

果蝇英文俗名fruitfly或vinegarfly，果蝇广泛地存在于全球温带及热带气候区，而且由于其主食为腐烂的水果，因此在人类的栖息地内如果园，菜市场等地区内皆可见其踪迹。除了南北极外，目前至少有1000个以上的果蝇物种被发现，大部分的物种以腐烂的水果或植物体为食，少部分则只取用真菌，树液或花粉为其食物。

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”。

在20世纪生命科学发展的历史长河中，果蝇扮演了十分重要的角色，是十分活跃的模型生物。遗传学的研究、发育的基因调控的研究、各类神经疾病的研究、帕金森氏病、老年痴呆症、药物成瘾和酒精中毒、衰老与长寿、学习记忆与某些认知行为的研究等都有果蝇的“身影”。

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