发育生物学-鲁东

名 下姓以 线 2此 在 号写学字 文本专将 须 班生学4 级 9线00封2_密级 班 学 科 物 生 业 专 院 学 学 科 命 生 院 学 鲁东大学生命科学学院2011－2012学年第 1 学期

《 发育生物学 》课程论文 课程号：

任课教师 成绩 论文题目：（可指定题目，也可说明题目范围。） 浅识模式生物 论文要求：（对论文题目、内容、行文、字数等作出判分规定。） 1、发育生物学或动物发育相关内容； 2、正文3000字以上； 3、参考文献10篇以上，至少2篇英文文献。 教师评语： 教师签字： 年 月 日 正文

摘要：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”。

关键词：模式生物 特点 前景

1、 模式生物简介

在生物进化过程中，对生命活动有重要功能基因的是高度保守的，通过比较简单生

物的基因和生理功能，从中可以推测出同源序列人体基因的功能。而模式生物则是最好的实验材料，可直接进行实验。如：设法敲除或转入某个基因，观察对生物体生长、发育、寿命和健康会产生什么样的后果，这只能在实验动物身上进行，因此，从模式生物的获得数据资料，对阐明人类生物学是必不可少的。

模式生物的研究也将促进了人类基因组图谱和DNA全部序列的分析。目前对人类基因组功能的理解在很大程度上依赖于对模式生物所进行的相应研究，因为以人类为对象的研究实际上受到许多的限制，也受论理学的约束，相反，模式生物比人类的基因组要小，如酵母的基因只为人类的1/200，线虫为人类的1/30，果蝇为人类的1/20。小基因组易于操作便于使用和发展新的技术手段。另外，在模式生物中，基因密度高，对其体系DNA测序所获得的相对信息量要大的多。事实表明，模式生物的研究成果对研究人的基因调空、遗传病发病机理和人类进化等作出巨大贡献。所以为精确可靠破译人类基因的功能，必须借助于模式生物的基因组作图测序。 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。

2、几种常见的模式生物

2.1海洋中的刺客——海胆

1

海胆（seaurchin），别名刺锅子、海刺猬，体形呈圆球状，就像一个个带刺的紫色仙人球，因而得了个雅号——“海中刺客”。渔民常把它称为“海底树球”、“龙宫刺猬”。 棘皮动物门海胆纲的通称。分2亚纲，22目。化石种约5000种。现生种800种，分隶于225个属。中国已知约100种。世界上现存的海胆约有850多种，我国沿海约有150多种。常见的如马粪海胆、大连紫海胆、心形海胆、

刻肋海胆等。

海胆是生物科学史上最早被使用的模式生物，它的卵子和胚胎对早期发育生物学的发展有举足轻重的作用。早在1875年，OscerHertiwig（1849-1922）就开始以海胆为材料研究受精过程中细胞核的作用。1891年，HansDriesh（1876－1941）在显微镜下把刚刚完成第一次卵裂的海胆胚胎一分为二，结果发现，分开后的两个细胞各自形成了一个完整幼虫。这一实验的意义在于证明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。1890年后，海胆更在受精和早期胚胎发育的研究中起了重要作用。同种海胆精卵表面分子的特异性识别、精子顶体反应、卵皮质反应等现象的发现，为受精生物学奠定了最初的基础。 2.2昆虫模式生物——果蝇

稍后于海胆获得生物学家青睐的模式生物是苍蝇的亲戚——学名唤作黑腹果蝇（fruitfly,Drosophilamelanogaster）。2000年3月，塞莱拉公司宣布完成了果蝇的基因组测序。

自1925年Thomas H U. Morgan绘制了第一张果蝇的唾液腺染色体物理图谱，将遗传学从对生物单纯的性状研究深入到对遗传物质的实体研究。每一条唾液腺染色体有无数线状排列的条带，它虽然不能提供易操作的DNA克隆，却能获得编制染色体图谱的大量资料。果蝇基因组全长为

1.65×108bp。

它在近代生物学史上的地位显赫，这红眼睛黑肚皮的小东西曾经三度飞进卡罗林斯卡医学院的颁奖大厅，为主人取回诺贝尔生物医学奖桂冠（1933年摩尔根，1946年缪勒，1995年刘易斯、尼尔森－沃哈德和维斯郝斯）。由于它们繁殖迅速、染色体巨大且易于进行基因定位，因此自1909年摩尔根（ThomasHuntMorgan，1866－1945）将之用作研究遗传变异和染色体关系的材料之后，果蝇就成为经典遗传学家揭示遗传规律的一张王牌。虽然1940年代后的30年中，更易进行分子生物学操作的大肠杆菌、酵母菌和噬菌体等微生物一度取代了它的辉煌地位，但1970年开始人们发现果蝇在胚胎发育图式的构建中具有特殊优点：它由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，后来的研究证明，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。由此，果蝇再次引起人们的高度兴趣，其在遗传和发育研究中的地位又变得举足轻重起来。 2.3多细胞真核生物模式生物——秀丽新小杆线虫

秀丽隐杆线虫(nematode,Caenorhabditiselegans)都是一种名副其实的美丽生物。显微镜下，它通身透明，纤细的身躯优雅的摆动，每一块肌肉的收缩与松弛的

一览无余。这种长不过1毫米的小生物有几个和人类关系密切的亲戚：蛔虫和蛲虫就是其中最大名鼎鼎的两个。不过，秀丽线虫本身和自然状态的人关系不大，它生活在土壤中，以细菌为食，被称为“自由线虫”。在有着多达2000万同宗兄弟的线虫家族中，它们一直默默无闻的过着无人打扰的幸福生活，千百万年来，除了少数线虫分类学家，我们对它们也不闻不问。然而，当进入20世纪70年代时，秀丽线虫的平静生活被一群发育生物学家打破。线虫之所以能在经典模式生物的名单中占有一个重要位置和它的形态特点有密切关系，它是唯一一个身体中的所有细胞能被逐个盘点并各归其类的生物。它的幼虫含有556个体细胞和2个原始生殖细胞，成虫则根据性别不同具有不同的细胞数。最常见的雌雄同体成虫成熟后含有959个体细胞和2000个生殖细胞，而较少见的雄性成虫则只有1031个体细胞和1000个生殖细胞。此外，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。通过20年的努力，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。

1998年12月，第一个多细胞真核生物线虫的基因组在Science上发表。线虫是了解得最清楚的模式生物，虫体长1.5mm，仅959个体细胞组成302个神经元构成神经网络，基因组为108。内含子小而少，其基因的密度高于哺乳动物。现已确定900多基因位点，绘制成遗传学图谱。由于YAC文库的出现，原来在E.coli难于克隆的线虫DNA片段在酵母中容易增殖，用YAC作载体将邻接的DNA片段克隆串联成克隆群（Contig），可绘制出大片DNA段图谱。目前，在50个Contig中已克隆了全序列的95%；以上的碱基，其中25个Contig，含8.5Mb已被定位。 细胞程序性死亡的遗传调控机制和RNAi及其作用机制都是以C.elegans为研究模型而率先取得的重要突破的例子。

2

2.4哺乳动物模式生物——小鼠 1996年Dietrich W.F等绘谱。

鼠体小，饲养管理方便，易于制了小鼠基因组的完整遗传图在哺乳类实验动物中，由于小控制，生产繁殖快，研究最深，thaliana)是一种典型的开花植物，广泛的分布于欧洲、亚洲和北美。拟南芥是一种十字花科植物，广泛用于植物遗传学、发育生物学和分子生物学的研究，已成为一种典型的模式植物，其原因主要基于这种植物具有以下特点：

（1）形态个体小，高度只有3Ocm左右；

有明确的质量控制标准，已拥有大量的近交系、突变系和封闭群，近年来遗产工程小鼠的培育迅速增加，因此在各种实验研究中，用量最大，用途最多：

1) 安全性和毒性试验

常选用小鼠进行食品、化妆品、药物化工产品等的安全新实验，急性、亚急性、慢性、毒性试验，还可做致畸、致癌致突变试验，半数致死量测定等。 2) 微生物寄生虫病学研

小鼠对多种病原体有敏感性，尤其是在病毒学研究中应用更大。适合于研究血吸虫、疟疾、锥虫、流行感冒脑炎、狂犬病、脊髓灰质炎、淋巴脉络从脑膜炎、支原体、巴氏杆菌和沙门氏菌等。 3) 肿瘤白血病研究

小鼠肿瘤发病率高，近交系组织相容性好，肿瘤移植较易生长，因此应用广泛。可用小鼠自发性肿瘤筛选抗肿瘤药物。可诱发各种肿瘤，做成肿瘤模型，进行肿瘤病因学发病学研究。近交系小鼠有些属于高癌系，有些属于低癌系，对研究肿瘤发生，比较方便而有利。 4) 遗传性疾病研究

小鼠有多种品系，有些有自发性遗传病，如小鼠黑色素病白化病、家族性肥胖、遗传性贫血等。与人发病相似，可被用作人类遗传性疾病的动物模型。 5) 免疫学研究

各种免疫缺陷小鼠，如纯系新西兰黑色小鼠（NZB）有自身免疫性溶血性贫血，AKR/N品系小鼠又补体C5缺损，CBA/N小鼠无B细胞的免疫缺陷等，都是研究免疫机理和免疫缺陷病的良好实验动物。 2.5植物中的果蝇——拟南芥 2000年12月，英美等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱。

拟南芥(arabidopsis

（2）生长周期快，从播种到收获种子一般只需6周左右； （3）种子多，每株每代可产生数千粒种子； （4）形态特征简单；

（5）基因组小，只有5对染色体。

拟南芥作为植物的模式生物在基因组分析方面是其他植物如玉米、番茄、豌豆、水稻等遗传模式系统所不及的。1996年拟南芥基因组国际合作项目启动，至2000年12月，第一个植物基因组——拟南芥基因组被全部测序，遗传图谱、物理图谱建立，序列大小为125Mb。基因组测序区段覆盖了全基因组的115.4Mb，分析共25498个基因，编码蛋白来自11000个家族。

拟南芥是国际上第一个完成全部基因组序列测定的高等植物。为了加强我国植物功能基因组学研究，使我国在国际植物功能基因知识产权竞争中拥有一席之地，国家自然科学基金委员会于2001年启动了“拟南芥全部转录调控因子蛋白组学研究”重大国际合作研究项目，取得了一系列重要成果，使我国在拟南芥研究尤其是转录因子方面在国际上占有了一席之地。 2.6 实验室明星——斑马鱼 斑马鱼，又名蓝条鱼、花条鱼、斑马担尼鱼（Brachydaniorerio），原产于印度、孟加拉国。体长4～6厘米。体呈纺锤形。背部橄榄色，体侧从鳃盖后直伸到尾未有数条银蓝色纵纹，臀鳍部也有与体色相似的纵纹，尾鳍长而呈叉形。雄鱼柠檬色纵纹；雌鱼的蓝色纵纹加银灰

色纵纹。

由于斑马鱼基因与人类基因的相似度达到87％，这意味着在其身上做药物实验所得到的结果在多数情况下也适用于人体，因此它受到生物学家的重视。因为斑马鱼的胚胎是透明的，所以生物学家很容易观察到药物对其体内器官的影响。此外，雌性斑马鱼可产卵200枚，胚胎在24小时内就可发育成形，这使得生物学家可以在同一代鱼身上进行不同的实验，进而研究病理演化过程并找到病因。 斑马鱼由于个体小，养殖花费少，能大规模繁育。经过30多年的研究应用和系统发展，已有约20个斑马鱼品系，斑马鱼基因数据库里有相关的资料可供查询和下

3

载，方便了研究。斑马鱼的细胞标记技术、组织移植技术、突变技术、单倍体育种技术、转基因技术、基因活性抑制技术等已经成熟，且有数以千计的斑马鱼胚胎突变体，是研究胚胎发育分子机制的优良资源，有的还可做为人类疾病模型。斑马鱼已经成为最受重视的脊椎动物发育生物学模式之一，在其它学科上的利用也显示很大的潜力。 此外，常见的模式生物还有大肠杆菌、烟草、酵母、非洲爪蟾等等，生物学家们利用模式生物实验操作上的便利性来进行解剖学、生理学、病理学及遗传学的研究。[5] 陈璋; 拟南芥: 植物分子生物学研究的模式物种 [J]; 植物学通报; 1994年01期

[6] 惠俊爱,惠俊美等，模式生物及其研究进展[J]，《生物学通报》2002年 第8期 [7] 张利绒,若干模式生物基因组中ORF、Intron和Exon的识别与特征研究[D],中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (博士),2003,(04)

[8] 杜德成,线虫和拟南芥DNA序列沿染色体排列的序关系[D]内蒙古大学, 2006 . [9] Conlson A, Kozono Y, Lutterbach B, Shownkeen R, et al. YACs and the C. 在有了高通量的测序手段之后,科学家们现在已经能在分子水平对各种模式生物进行比较分析。

3、模式生物研究的发展前景

模式生物的研究是人类基因组计划的一个重要组成部分, 是人类基因组计划的必要的补充, 这对人类基因组计划的研究有很大的促进作用。由于人类对其自身理解的限制、实验的限制和伦理学的制约, 医学、生物学的研究在很大程度上依赖于对一些模式生物的研究, 在研究人类基因组的同时, 平行地进行一些如微生物、植物、动物等模式生物的研究, 可为人类基因组的研究作方法学和组织工作方面的准备。将从模式生物中得到的数据和资料与人类基因组比较, 通过不同生物基因序列的同源性来阐明人类相应基因的功能; 通过研究小而简单的模式生物的基因组, 积累实验发展模式, 同时对模式生物的研究亦有经济价值, 一些与人类基因有相似性, 但结构和基因组成却相对比较简单的生物体就成为进行人类基因组研究的好样本。

模式生物的研究在人类疾病（特别是遗传性疾病）的预防、诊断、治疗以及新药开发等方面也有很广泛的应用前景。如：把某些病原体的抗原或毒素基因转入普通的食物或水果中, 以吃这些水果代替传统的疫苗来达到预防疾病的目的；利用细胞衰老的分子机制来生产保持皮肤光泽、有弹性的新一代化妆品。同时模式生物的研究成果的应用也给人们生活、生产带来了更深刻、更广泛的影响，现在已经开始对植物的遗传物质进行修饰，这一成果已经和正在对人类社会产生巨大的影响。全世界绝大部分的食物、燃料、纤维、化学原料和部分药物将来都有可能取自遗传修饰的植物。如：通过遗传修饰产生抗性大豆、棉花、油菜、土豆、玉米等的种子已经育成, 而且通过FDA 的严格审查开始在大田里种植。 总之，模式生物已经和正在人类社会得到广泛的应用，随着模式生物的研究和人类基因组计划的完成,生活也将会发生翻天覆地的变化。

参考文献:

[1]王钦南，与人类基因组计划相关的模式生物作图进展[M]，北京：国家自然科学基金委员会生命科学部，1994,6（1）

[2] 景志忠 哈金梅，模式生物与比较基因组学研究进展[M]，北京：中国农业科学院兰州兽医研究所，2002,8（12）

[3] 王芳平,李宏. 几种模式生物密码对的使用和基因组进化[J]内蒙古大学学报(自然科学版), 2007,(02)

[4] 景志忠,才学鹏. 模式生物基因组研究进展[J]生物医学工程学杂志, 2004,(03) .

elegans genome. Bioessays, 1991, 13 [10] Oliver S G, O L. M. van der Aart, Agostoni-Carbone M L, et al. The complete

DNA sequence of yeast chromosome III. Nature, 1992, 357

[11] 王春婷,小鼠新基因Biot2的克隆和功能的初步研究[D]四川大学, 2007 . [12] 冯亮,廖翔华. 线虫发育模式的分子生物学研究概况[J]生物化学与生物物理进展, 2000,(01) .

4