秀丽线虫电子教案

秀丽线虫

秀丽线虫的研究进展

摘要：秀丽线虫(Caenorhadits elegans)是研究动物遗传、个体发育及细胞生命活动的重要模式动物。近年来利用线虫这种模式生物已经在生命科学的许多领域取得了突破性的研究成果：信号转导、衰老、细胞凋亡、热应激反应、环境科学、性别决定、神经肌肉发育、细胞分化、神经分化诱导和行为认知等。

关键词：秀丽线虫;衰老；细胞凋亡；环境科学；性别决定；神经分化诱导；行为认知

导言：秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)在当代生命科学的发展过程中起着举足轻重的作用。近年来，随着人们对其的研究日益深人，秀丽隐杆线虫以其独特的优势成为生物学家借以了解诸多基本生命现象的优良。近年来，国际上以秀丽线虫为实验材料的生命科学研究取得了重要突破，分别在2002 年和2006 年两次获得诺贝尔生理医学奖。在国内，越来越多的科研人员开始将秀丽线虫应用于自己的研究领域。20 世纪60年代，分子遗传学的奠基人之一Brenner在和Crick等人一起确立了分子遗传学的中心法则以后，感到分子生物学的主要问题已经解决，生物学的未来应着眼于发育生物学和神经生物学等复杂问题的研究。Brenner 试图寻找一种比果蝇更简单的、具有神经细胞的多细胞生物来探索个体及神经发育的遗传调控机制。在经过了一系列的尝试后，他最终选择了秀丽线虫(C. elegans)为研究对象。在此之前，Nigon 和Dougherty等已经在秀丽线虫的营养生长和有性生殖等方面做了许多前期工作。

1、线虫作为模式动物的优势

线虫的饲养条件具有简单、廉价、易操作的特点，线虫成虫体长1mm,身体半透明,以大肠杆菌为食饵,从受精卵发育到成虫仅需不到四天时间。在自然状态下线虫是一种可以自我繁殖的雌雄同体生物,因此繁殖起来也很迅速,这种能自我繁殖的能力还非常有利于得到具有同一基因结构的纯合体线虫。另外,秀丽线虫还存在一种雄性个体,它不能自我繁殖,必须与雌雄同体的线虫交配才可繁衍后代。利用雄性个体,人们可以将突变基因从一种线虫转移到另一种线虫中去。线虫还可以像培养细胞一样保存在- 80℃。这一优势是果蝇和小鼠等模式生物所不具备的。秀丽线虫是第一个完成基因组测序的动物,它的约20 000个基因中有40%和人类基因具有同源性。同时,秀丽线虫还具有完备的发育和解剖学特征和复杂的遗传学特征。

2、秀丽线虫的研究领域

秀丽线虫的基因操作便捷,可十分方便地进行转基因、RNA干涉和突变体筛选等研究。近年来利用线虫这种模式生物已经在生命科学的许多领域取得了突破性的研究成果：信号转导、衰老、细胞凋亡、热应激反应、环境科学、性别决定、神经肌肉发育、细胞分化、神经分化诱导和行为认知等

3、秀丽线虫的研究

秀丽线虫目前已成为研究细胞凋亡、神经发育以及学习和记忆等多种复杂生命现象调控机的重要模式生物之一。

3.1 秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)与低氧适应（细胞凋亡）

持续低氧可在数分钟之内导致哺乳动物神经元和肌肉组织严重损伤,引发中风、心脏病等并伴随细胞死亡。而在无脊椎动物秀丽线虫的低氧应答通路和人类的相关通路之间具有高度的保守性,低氧也可引发细胞损伤和死亡,启动一系列相关反应,从而适应低氧环境并对更严重的缺氧损伤起保护作用。低氧能够引起秀丽线虫发生相应的生理和行为学变化,并可保护机体免受缺氧损伤。秀丽线虫的低氧诱导因子(H IF21)的恒定性调控通路和人类的相应通路之间具有高度保守性,因此秀丽线虫也已成为研究低氧应答调控通路进化保守性的重要工具之一。

对于秀丽线虫而言,只要有充足的食物,即使氧浓度降到2%时也能够维持机体的正常代谢。当氧浓度低到1%时, 秀丽线虫的机体代谢率才会下降为正常的50% ,而此时秀丽线虫仍然能够发育和繁衍后代。当氧浓度在0. 25%到1%之间时,秀丽线虫的低氧应答通路被激活,在近乎无氧环境下进入休眠状态。秀丽线虫的这种适应能力可使其尽可能减少外界环境对机体的损害。目前也已发现0. 01% ～0. 1%的氧浓度是秀丽线虫的致死浓度。

缺氧是造成神经系统损伤的重要原因,临床上以缺血缺氧性脑损伤为主的脑血管疾病对于患者乃至整个社会带来极大负担,通过对秀丽线虫在低氧情况下的应答研究，将为了解人类心脑血管性疾病的发病机制和寻找新的治疗手段提供重要线索。

3.2 秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)寿命的调控机制（衰亡）

秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)是一种研究衰老调控机制的很好模型，秀丽线虫的衰老与新陈代谢的调控密切相关。大量的遗传学和基因组学研究表明,代谢调节是寿命调节中的一个显著特征。延长人的寿命，延缓衰老是人们非常关心的问题。由于秀丽线虫生命周期短，只有3 周左右，因此，在研究衰老和寿命上有很大优势。

A、衰老与新陈代谢的关系

已发现的与寿命有关的基因有age-1和daf-2。其中, age-1是最早发现与线虫寿命有关的基因, 它编码一种磷脂酰肌醇激酶,而daf-2则编码一种酪氨酸激酶受体,后者与哺乳动物中的胰岛素和类胰岛素生长因子-1受体相似。Daf-2的缺失突变体是致死的 ,但是daf-2部分功能突变体其寿命却是野生型的2～3倍。Daf-2和age-1参与线虫胰岛素/类胰岛素信号通路。

B、摄食量控制与代谢的关系

一般认为,摄食量的控制可以降低代谢的速率从而延长生物体的寿命。但Houthoofd 等研究发现,在线虫中摄食量控制反而能使其代谢速率上升。摄食量控制往往通过一定的方式实现,如使用突变体,将营养物稀释,或者将线虫置于无菌的培养基中培养等。事实上,在这些试验条件下,通过对好氧量和产热量的测定,它们往往有更高的代谢率。因此,摄食量调控延长线虫寿命的机理仍未清楚。虽然在果蝇和小鼠中摄食量控制是通过调节胰岛素途径而使寿命延长的,但是在线虫中却有所不同。

C、支链氨基酸与寿命的关系

如图所示, daf22 / IGF1R、daf228 /胰岛素和ife22 /e IFE43种突变体能使细胞内氨基酸水平上升,尤其是支链氨基酸。一些影响到电子传递链中复合物I、II、III的突变,包括长寿突变,也会导致支链氨基酸的积累。氨基酸池和其他营养物质可以激活TOR信号,进一步使核糖体p70S6激酶和翻译起始因子e IFE4激活,同时抑制线粒体的功能。然而,DAF22 / IGF1R突变使DAF216激活,进而抑制daf215转录使TOR信号减弱。虽然突变体通过不同的途径使寿命延长,但是他们共同的代谢特征是支链氨基酸池的增加。

注:黑线表示对不同信号通路中成员的激活或抑制;红色箭头表示突变体对细胞内氨基酸池的作用。

在线虫衰老研究上，目前已有的研究成果尚只是描画出了衰老调控机制的大致轮廓，还需要进行更系统的工作去充实和完善，从而真正揭示动物衰老调节的奥秘，进而帮助人们了解哺乳动物与人类自身的衰老及调控规律。