Chapter 2 模式生物体系一、模式生物• 早在20世纪初，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。

¾ 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。

¾ 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”。

一种模式生物应具备以下特点：1）其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。

• 理想的研究系统是科学发展的关键，在发育生物学研究中，模式生物显得尤为重要，许多划时代的突破往往都与模式动物相关。

最常见的模式生物有：逆转录病毒 (retrovirus)，大肠杆菌(Escherichiacoli)，酵母(budding yeast (Saccharomyces cerevisiae), fission yeast (Schizo saccharomyces pombe))，秀丽线虫(Caenorhab ditiselegans)，果蝇(Drosophilamelanogaster)，斑马鱼(zebrafish)，小鼠(mouse)，拟南芥(Arabidopsis)，水稻(Rice(OryzasativaL.))等。

模式生物的应用•生物是从共同祖先演化而来的，所以对生命活动有重要功能的基因在进化上是保守的，也就是说，这些基因的结构和功能，在低等生物和高等生物中是相似的。

因此，可以用比较容易研究的生物作为模型来研究其基因的结构和生物学功能，由此获得的信息可以使用于其他比较难以研究的生物，特别是推测相似的人体基因的功能•各模式动物各具优点，其研究成果不仅揭示特定物种的特点，还有助于探索动物发育的普遍规律和机制。

秀丽隐杆线虫Caenorhabditis elegans线虫组织示意图•生长在泥士中，长度约 1mm ，雌雄同体，但也有少数是雄性。

生活史短（约 3 天）。

•发育的每个阶段都是透明的，我们可以直接在显微镜下观察胚胎的每个部分将来会发育为成体的哪一部分，而这又得利于每个细胞在发育的过程中，其相对位置并不会有太大的改变，而利于科学家去追踪单一细胞在发育过程中会如何移动，及其最后的命运。

广泛地用作发育生物学研究的模式生物(model organism )。

秀丽隐杆线虫生命周期（生活史短（约 3 天)）细胞期原肠形成后的胚胎成虫线虫的cell lineage 一条 C. elegans 成虫所有的959 个细胞，每一个是从胚胎的哪一个细胞来的，亦即 C.elegans 的 cell lineage 已完全建立。

主要优点：1. 易于养殖；成虫体长1mm，易冷冻保存；2. 性成熟周期短（2.5-3天）3. 细胞数量少，谱系清楚；4. 易于诱变；5.基因组序列已全部测出（Science, Dec. 11, 1998）。

(97MB encodes, 19,099 proteins)成就细胞凋亡现象及其机理最早是在线虫中被揭示的。

以线虫为基础的凋亡研究对基础和应用生物学产生的巨大推动作用，卡罗林斯卡医学院的诺贝尔奖评选委员会将年2002年生理和医学奖授予了线虫生物学的开拓者：西德尼·布雷纳（Sydney Brenner）、约翰·萨尔斯顿（John Sulston）和线虫凋亡之父罗伯特·霍维茨（Robert Horvitz）红眼黑腹果蝇Drosophila为双翅目昆虫，红眼、双翅、羽状触角芒、身体分节、黄褐色，生活史短，易饲养，繁殖快，染色体少，突变型多，个体小（雌性体长2.5毫米,雄性较之还小），是一种很好的遗传学实验材料，是一种重要的模式生物。

果蝇的生命周期受精前的卵二龄幼虫蛹雌蝇可以一次产下400粒卵（0.5mm）；在25℃环境下，22小时后孵育出幼虫；幼虫24小时后就会第一次蜕皮，并且不断生长，以到达第二幼体发育期。

经过三个幼虫发育阶段和四天的蛹期，在25℃下过一天，就会发育为成虫。

主要优点:1. 体积小，易于繁殖；2. 产卵力强；3. 性成熟周期短;4. 易于遗传操作：如诱变；5. 基因组序列已全部测出（Science, May, 24, 2000） (120Mb encodes, 13,601 proteins)果蝇唾腺染色体（2n=8）果蝇在遗传和发育研究中足轻重的地位•最初由于它们染色体巨大且易于进行基因定位，因此自1909年摩尔根将之用作研究遗传变异和染色体关系的材料，成为经典遗传学家揭示遗传规律的一张王牌。

•上世纪70年代，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。

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。

¾摩尔根利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。

1933年因此被授予诺贝尔奖。

¾ 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。

¾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——刘易斯、尼尔森—沃哈德和维斯郝斯。

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。

非洲爪蟾（Xenopus laevis）模式生物里的青蛙王子 形态特征：体长100mm。

雄性会比雌性小一截，后肢具有3对角质脚爪。

生活习性：为完全水生种，广栖于淡水水域中。

初春至晚夏间为繁殖期，雌蛙每胎可产下2000颗以上的卵。

非洲爪蟾的生命周期Life cycle of the African claw-toed frog Xenopus laevis优点：•取卵方便，卵子和胚胎个体大，便于进行实验胚胎学的研究;•抗感染力强，易于组织移植。

不足：不易进行遗传学的研究生命周期过长，幼体要1-2年才能达到性成熟；X. laevis 是异源四倍体，多数基因有四份拷贝，很难进行遗传突变实验。

X. laevis (left) and X. tropicalis (right) adult females.发育生物学的王子 •其个体较小，世代周期短（约4个月），又是二倍体，便于进行遗传学实验。

非洲爪蟾的卵母细胞体积大、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具有不可替代的作用。

参与调节哺乳动物卵母细胞减数分裂的重要蛋白激酶，其作用最初大都是在非洲爪蟾卵子中发现的，开启了细胞周期调控的分子机理之门。

未受精的爪蟾卵The unfertilized egg of Xenopus Animal poleVegetal poleVitelline membrane(gelatinous coat) 1 mm卵黄膜极体的形成（Polar body formation ）物种受精后的减数分裂时期的示例扁虫线虫软体动物昆虫Animal poleVegetal pole12 cell divisions外包 (Epiboly)非洲爪蟾为研究脊椎动物的发育机制作出的重要贡献•虽然Spemann在1924年就发现了组织者，但直到20世纪90年代，使用非洲爪蟾胚胎材料，人们才找到了组织者中真正的作用分子：BMP信号抑制因子和Wnt 信号抑制因子。

•非洲爪蟾胚胎还曾多次乘坐宇宙飞船到太空旅行，用来研究胚胎在微重力条件下的发育。

•克隆动物最早是在非洲爪蟾中获得成功的。

证明了细胞核的全能性，也开创了动物克隆的时代。

非洲爪蟾的卵母细胞真是生物实验的绝佳材料，它除了构建卵母细胞表达系统，还用于细胞分裂与细胞周期调控的研究。

•研究人员在非洲爪蟾成熟卵母细胞中证实“成熟促进因子”（MPF）。

•研究人员从爪蟾的未受精卵中纯化MPF。

发现它由两个亚基组成（催化亚基Cdc和调控亚基 (cyclins）。

这是细胞周期调控研究中的一次重大突破，极大地推动了细胞周期的研究。

斑马鱼（Daniorerio ）俗称zebrafish•斑马鱼属鲤科短担尼鱼属，原产于南亚，是一种常见的热带鱼。

斑马鱼体型纤细，成体长3-4cm，对水质要求不高。

孵出后约3个月达到性成熟，成熟鱼每隔几天可产卵一次。

卵子体外受精，体外发育，胚胎发育同步且速度快，胚体透明。

发育温度要求在25-31℃之间。

斑马鱼的生命周期斑马鱼的发育谱系主要优点：1.体积小，易于饲养；2.产卵力强；3.性成熟周期短；4.易于遗传操作；如诱变；5.体外受精和发育，易于观察；6.基因组序列已全部测出。

主要技术和资源服务内容：1). 斑马鱼基因表达分析服务：包括抽提斑马鱼基因组DNA和总RNA，核酸原位杂交探针制备和纯化，全胚胎原位杂交技术，显微注射技术，基因过表达(over-expression)和基因下调（morpholino knock down）技术；2). 斑马鱼转基因技术服务：包括各类斑马鱼非特异性和组织特异性启动子的克隆，基因组BAC文库筛选与修饰，基于Tol2转座子的转基因质粒的构建，以及子一代转基因系的筛选和保存；3). 斑马鱼基因功能活体检测服务：包括清醒斑马鱼在体共聚焦/双光子显微镜成像技术和在体电生理记录技术；4). 动物行为范式分析服务：包括感觉相关的应激行为、视觉运动行为、学习记忆行为和药物成瘾行为等；5). 斑马鱼基因突变技术服务：包括插入诱变和ENU化学诱变技术；6). 斑马鱼转基因资源库和突变体资源库服务：包括研制、收集和分发各种斑马鱼转基因品系和突变体；7). 信息服务：包括建立斑马鱼资源信息网络数据库和提供斑马鱼基因组生物信息学分析服务。

小鼠（Mouse, Mus musculus ）•在分类学上，小鼠属于哺乳纲（Mammalia）、啮齿目（Rodentia）、鼠科（Muridae）、小鼠属（Mus）动物。

小鼠是由小家鼠演变而来。

它广泛分布于世界各地，经长期人工饲养选择培育，已育成1000多近交系和独立的远交群。

现已成为使用量最大（目前全世界每天约有2500万只小鼠被用于生物医学研究）、研究最详尽的哺乳类实验动物。