发育生物学模式生物

发育生物学模式生物

摘要：模式生物是生命科学研究的重要材料．目前公认的用于生命科学研究的常见模式生物有噬茵体、大肠杆茵、酵母、线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠、拟南芥等．这8种常用模式生物对生命现象的揭密和人类疾病治疗的探索等都所做出了重大贡献．对其在生命科学研究中的历史轨迹、各自优势、技术手段、热点研究、发展前景等系统而又简要的了解．有助于具体而又生动地体察到模式生物在今天生命科学发展中的重要地位和推动生命科学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生命科学研究

基础问题可以在最简单和最容易获得的系统中得以回答．由于进化的原因，细胞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的共同规律是可能的．尤其是当在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，所以称其为“模式生物”．模式生物作为研究材料不仅能回答生命科学研究中最基本的生物学问题，对人类一些疾病的治疗也有借鉴意义．目前，在杂志重要上刊登的有关生命过程和机理的重大发现，大多都是通过模式生物来进行研究的，常见的模式生物有病毒中的噬菌体(Bacteriophage)，原核生物中的大肠杆菌(Escherichia coli)，真菌中的酿酒酵母(Sacharo．myces cerevisiae)，低等无脊椎动物中的秀丽新小杆线虫(Caenorhabditis elegans)，昆虫纲的黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)，鱼纲的斑马鱼(Danio rerio)，哺乳纲的小鼠(Mus musculus)以及植物中的拟南芥(Arabidopsis thaliana)等。

模式生物在生命科学研究中有一些共同的优点，例如：有利于回答研究者关注的问题，能够代表生物界的某一大类群；对人体和环境无害，容易获得并易于在实验室内饲养和繁殖；世代短、子代多、遗传背景清楚；容易进行实验操作，特别是具有遗传操作的手段和表型分析的方法等．不同的模式生物由于其各自的遗传生长特点及其在进化过程中的地位，而又具有各自独特的特点。

在生命科学研究中选择哪一种模式生物取决于所探索的生物学问题．研究分子生物学的基本问题，用简单的单细胞生物或病毒通常更方便些．这些生物结构简单并且可以快速大量地生长，通常可以把遗传学和生物化学的研究方法结合起来．而其它问题，如有关发育的问题，通常只能用更复杂的模式生物来解决．例如，噬菌体如T4噬菌体)被证明是一个解决基因和信息传递本质的理想体系；酵母具有高效的适合遗传分析的交配体系，所以酵母成为解释真核细胞本质

的首选系统；线虫和果蝇也提供了很好的遗传系统，用来解决那些在较低等的生物中不能有效解决的问题，如发育和行为；最高等的模式生物小鼠，尽管它不如线虫和果蝇容易研究，但因为是哺乳动物，所以是了解人类生物学和人类疾病最好的模式系统．

1病毒和原核模式生物

1．1噬菌体

噬菌体(Bacteriophage)是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的细菌病毒的总称．模式生物中的噬菌体主要是指感染大肠杆菌的噬菌体(T噬菌体和入

噬菌体)．

噬菌体作为模式生物的优势：个体微小．噬菌体基因组只有在侵入细胞后才复制，所编码的基因才能表达，一旦离开了宿主细胞，噬菌体既不能生长，也不能复制．噬菌体提供了一个研究基本生命过程的最简单的系统．它们的基因组比较小，复制迅速，使得对要在噬菌体中获得多重突变体的遗传分析来说是可控制的。

噬菌体作为模式生物在生命科学中的应用：1、为了分离病毒复制的关键基因，在条件致死突变的基础上开发了许多筛选技术，例如：通过分离“温度敏感型噬菌体”使得其能在低温下生长，而不能在高温下生长；2、Hershey和Chase(1952)将1r2噬菌体的蛋白质外壳和核酸分别用35S和32P标记，检测蛋白质和核酸在噬菌体增殖过程中的去向，结果检测到母本噬菌体标记的核酸进入到寄主细胞并出现在后代的噬菌体中，从而直接证明了DNA是遗传物质[1]，这一杰出的实验成就直接导致了DNA双螺旋结构的发现，并因此奠定了分子遗传学乃至整个分子生物学的基础；3、目前，以噬菌体系统为基础已发展出多种生物学技术，如噬菌体展示技术[2.3]，有力的推动了蛋白质组学的研究．噬菌体展示是一种用于筛选和改造功能性多肽或蛋白质的强有力的生物学技术，广泛应用于蛋白组学，以及未知基因的克隆和测序等多个分子生物学领域。

1．2大肠杆菌

大肠杆菌作为模式生物的优势：大肠杆菌(Escherichia coli)，是相对简单的单细胞生物，所有DNA、RNA和蛋白质合成的机器都包含在同一细胞器中(细菌没有细胞核)，可以相对容易的培养和操作．大肠杆菌通常只有一条染色体，比高等生物的基因组要小得多，并且具有较高的基因密度(大约每1 kb就有一个基因)，没有内含子和很少有重复DNA，易于寻找和分析基因．另外，大肠杆菌的生活周期很短，并且单个细胞可以很容易的获得一个遗传上同源的细胞群体(克隆)．细菌是单倍体，这意味着即使是隐性突变，也能够表现出突变的表型，同时细菌之间可以方便地进行遗传物质的交换。细菌的这些特征便于对其进行遗传学究．大肠杆菌作为生命科学研究的模式系统，其主要优势是具有遗传交换系统．遗传交换使定位突变、构建含多种突变的菌株、构建用来辨别显性突变和隐性突变及进行顺反式分析的部分双倍体的菌株成为可能．这种遗传交换系统主要通过两种方式构建，第一种方式是大肠杆菌通过性结合交换DNA，大肠杆菌的育性质粒(F因子，F．factor)具备把自身从一个细胞转移到另一个细胞的能力．F 因子介导的结合是一个复制的过程，F+细胞转移一个拷贝的F因子给F—细胞．有时，F因子整合到染色体中，就会引起寄主染色体通过接合向F一细胞转移．含有整合的F因子的菌株叫做Hfr菌株(高频重组菌株，Hfrstrain)，这种材料对于进行遗传交换研究非常有用；第二种方式是通过噬菌体介导的转导，噬菌体成熟时有一部分噬菌体的DNA被寄主DNA所取代，当噬菌体感染下一个细胞时，从以前寄主那里获得的染色体DNA片段可以和被感染的寄主染色体发生重组，导致遗传信息从一个细胞转移到另一个细胞．

应用：20世纪70年代初期，在建立DNA重组技术的同时，便开展了对大肠杆菌基因组的研究．目前对大肠杆菌的研究主要集中于揭示其新的功能基因，查明DNA 序列和基因结构的特点，以及基因间的调控关系(即对操纵子学说的补充和扩展)等，这一技术路线也成为其它模式生物特别是人的基因组计划研究的技术路线．

2真核模式生物