第六章 模式生物在分子細(xì)胞生物學(xué)研究中應(yīng)用

1、 第六章 模式生物在分子細(xì)胞生物學(xué)研究中應(yīng)用對于生命科學(xué)研究來說，如何尋找到一個(gè)理想的研究系統(tǒng)是其關(guān)鍵所在?；仡櫧茖W(xué)研究的歷史我們不難發(fā)現(xiàn)，在許多劃時(shí)代的突破性科學(xué)成就背后總有一些模式物種的默默奉獻(xiàn)：假若不是選擇果蠅這一絕好的模式動物，摩爾根又怎能揭開“基因的連鎖與互換”這一經(jīng)典遺傳學(xué)的第三大規(guī)律；假若沒有利用非洲爪蟾所進(jìn)行的體細(xì)胞核移植開創(chuàng)性工作，又怎會有今天克隆羊、克隆牛、克隆鼠的誕生；假若不是有酵母、海膽的“幫助”，又怎會有今天對細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制的了解；假若不是線蟲的“貢獻(xiàn)”，又怎會有對細(xì)胞凋亡機(jī)制的認(rèn)識類似的例子不勝枚舉。事實(shí)上，各種各樣的模式動物與植物已經(jīng)或正在走進(jìn)生命科學(xué)研

2、究的陣地，常見的如非細(xì)胞生物T4病毒，原核生物大腸桿菌，真核生物酵母、果蠅、小鼠、線蟲、海膽、非洲爪蟾、斑馬魚、水螅等，植物如玉米、擬南芥、豌豆等，它們都因其所具有的獨(dú)特的生物學(xué)特性而成為各種研究的模型，且都已被研究的相對比較透徹。所有這些具一定代表性的生物常被統(tǒng)稱為模式生物（model organism）。模式生物與實(shí)驗(yàn)生物（experimental organism）并非一回事。能成為模式生物的實(shí)驗(yàn)生物通通常具有易于培養(yǎng)、操作簡單、生長繁殖快等特點(diǎn)，且均具有一些獨(dú)特的生物學(xué)特性，適宜于進(jìn)行一些具有一定廣泛性和代表性的研究工作。本章將就一些有代表性的模式生物的生物學(xué)特性及其在分子細(xì)胞生物學(xué)研

3、究中的作用進(jìn)行探討。 第一節(jié) 酵母一 、概論酵母為單細(xì)胞真菌，屬半子囊菌亞綱（Hemiascomycetes）內(nèi)孢霉目（Endomycetales）酵母菌科（Saccharomycetaceae）。作為模式生物的酵母主要有兩種：一種是釀酒酵母（Saccharomyces cerevisia），其無性生殖方式為芽殖，故又稱芽殖酵母（budding yeast）；另一種是粟酒裂殖酵母（Schizosaccharomycs pombe），其無性生殖方式為裂殖，故又稱裂殖酵母（fission yeast）。這兩種酵母雖然同屬于子囊真菌，均為模式生物，但二者在進(jìn)化上的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，在許多方面并不相同。例

4、如，粟酒裂殖酵母營養(yǎng)體為單倍體，而釀酒酵母營養(yǎng)體則為二倍體，這使得二者的生活史剛好相反。酵母作為一種模式生物在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究方面具有許多內(nèi)在的優(yōu)勢。（1）酵母易于培養(yǎng)和操作、增殖快，是研究真核生物生命活動的首選模式生物，有真核生物中的“大腸桿菌”之稱。（2）酵母能在單倍體和二倍體的狀態(tài)下穩(wěn)定均能生長，并能在實(shí)驗(yàn)條件下較為方便地控制單倍體和二倍體之間的相互轉(zhuǎn)換。單倍體細(xì)胞可以是兩個(gè)交配型中的任何一個(gè)，分別被稱為a和，二倍體細(xì)胞（a）由a細(xì)胞和細(xì)胞融合而成，并可進(jìn)一步通過有絲分裂進(jìn)行無限期增殖。這對其基因功能的研究十分有利，如在單倍體狀態(tài)下，只需一次基因替換，就能得到某個(gè)特定基因缺失的酵母株；而對于

5、一些缺失后致死的基因，人們可以在二倍體菌株中進(jìn)行基因替換，然后通過孢子篩選，獲得帶有基因缺失的單倍體菌株。（3）酵母DNA只存在于細(xì)胞核中，酵母菌染色體功能的支持主要由復(fù)制起點(diǎn)（ARS元件）、著絲粒（CEN元件）和端粒(telomer) 構(gòu)成，利用這些元件、克隆化的酵母選擇基因能構(gòu)建出既可在酵母菌又可在和大腸桿菌中進(jìn)行穩(wěn)定的自主復(fù)制與表達(dá)的穿梭質(zhì)粒，構(gòu)建出更適合真核生物基因表達(dá)的載體系統(tǒng)，甚至還可利用酵母染色體的這些元件構(gòu)建出更大、更為有效的大片段序列克隆系統(tǒng)，如酵母人工染色體（YAC）。同時(shí)，酵母菌還具有同時(shí)兼容幾種不同質(zhì)粒（帶有酵母固有質(zhì)粒2m復(fù)制子）的特點(diǎn)，這與大腸桿菌明顯不同。（4）酵

6、母的生命周期很適合經(jīng)典的遺傳學(xué)分析，使得在酵母條染色體上構(gòu)建精細(xì)的遺傳圖譜成為可能。更重要的是，目前已發(fā)展了一些非常有效的技術(shù)使得酵母基因組中約6000個(gè)基因中的任何一個(gè)基因均能被突變的等位基因取代，甚至從基因組中完全缺失，這種方法具有很高的效率和準(zhǔn)確性。（5）酵母的基因組很小，比如釀酒酵母的單倍體就含有16條2002200kb的線性染色體，DNA容量僅為大腸桿菌的3.5倍。通過完整的基因組測序其基因組大小為12068kb，編碼5885個(gè)專一性蛋白質(zhì)的開放閱讀框。而裂殖酵母的基因組大小盡管與釀酒酵母相近，但僅分布在3條染色體上，編碼4824個(gè)蛋白質(zhì)。這意味著在酵母基因組中平均每隔2kb就存在一

7、個(gè)編碼蛋白質(zhì)的基因，即整個(gè)基因組有72的核苷酸順序由開放閱讀框組成。這說明釀酒酵母基因要比其它高等真核生物基因排列緊密。如在人類基因組中，大約平均每隔30kb或更多的堿基才能發(fā)現(xiàn)一個(gè)編碼蛋白質(zhì)的基因。酵母基因組的緊密性是因?yàn)榛蜷g隔區(qū)較短與基因中內(nèi)含子稀少。酵母基因組的開放閱讀框平均長度為483個(gè)密碼子，最長的是位于XII號染色體上的一個(gè)功能未知的開放閱讀框(4910個(gè)密碼子)。此外，釀酒酵母基因組中還包含有大約140個(gè)編碼rRNA的基因，排列在XII號染色體的長末端；40個(gè)編碼snRNA（small nuclear RNA ）的基因，散布于16條染色體；屬于43個(gè)家族的275個(gè)tRNA基因也

8、廣泛分布于基因組中。表6-1提供了釀酒酵母基因在各染色體上分布的大致情況。 表6-1  釀酒酵母染色體簡況染色體編號 染色體長度（bp） 基因數(shù)目 tRNA基因數(shù)目 I 2.3×104 89 4 II 807188 410 13 III 3.15×105 182 10 IV 1531974 796 27 V 569202 271 13 VI 2.7×105 129 10VII 1090936 572 33VIII 5.61×105 269 11IX 439886 221 10X 745442 379 24XI 666448 331 16XII

9、1078171 534 22XIII 924430 459 21XIV 784328 419 15XV 1092283 560 20XVI 948061 487 17二、酵母與細(xì)胞周期研究真核生物的細(xì)胞周期是一個(gè)嚴(yán)格按照G1SG2M循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的增殖過程。釀酒酵母和裂殖酵母的細(xì)胞周期存在著一定的差異：（1）由于釀酒酵母的有絲分裂為核內(nèi)分裂方式，其紡錘體常在S期就開始形成，故而其細(xì)胞周期幾乎是缺少G2期或被認(rèn)為是S期與G2期重疊，而裂殖酵母卻具有完整的細(xì)胞周期。（2）釀酒酵母染色質(zhì)在間期凝集的程度亦較，但裂殖酵母的染色質(zhì)在間期的可被壓縮大約2000倍。（3）釀酒酵母細(xì)胞周期中的G1期所占時(shí)間最長，是

10、研究真核細(xì)胞細(xì)胞周期由G1S期過渡的好模型，而裂殖酵母的G2期在細(xì)胞周期中所占的比例也最大，是研究真核細(xì)胞細(xì)胞周期由G2M期過渡的好模型極佳模型。在 20世紀(jì) 60年代末，美國西雅圖Fred Hutchinson癌癥研究中心的利蘭· 哈特韋爾 (Leland Hartwell)采用遺傳學(xué)方法，用釀酒酵母作為實(shí)驗(yàn)對象研究細(xì)胞周期。20世紀(jì)70年代，他通過溫度敏感突變技術(shù)篩選出一些突變酵母細(xì)胞，這些突變的酵母細(xì)胞常停滯在特定的細(xì)胞周期時(shí)相，通過對相關(guān)突變的分析從而確定缺陷基因所編碼的蛋白質(zhì)在細(xì)胞周期調(diào)控中的作用。利用這種方法，他成功地分離出上百個(gè)涉及細(xì)胞周期調(diào)控的基因，并將它們命名為細(xì)胞

11、周期分裂基因（cdc）。繼哈特韋爾之后，英國倫敦帝國癌癥研究基金會 (Imperial Cancer Research Fund, ICRF)的保羅·納斯（Paul Nurse）和蒂莫西·亨特 (R. Timothy Hunt)，分別利用裂殖酵母和海膽發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的關(guān)鍵分子細(xì)胞周期素蛋白依賴性激酶（CDKs）以及調(diào)節(jié)CDKs功能的細(xì)胞周期素（cyclin）。納斯從裂殖酵母中篩選出了調(diào)控細(xì)胞周期進(jìn)程的關(guān)鍵基因cdc2，并且發(fā)現(xiàn)cdc2和釀酒酵母的cdc28具有69%的同源性，均編碼一個(gè)34kDa的蛋白激酶（p34cdc2），其功能可以相互代替，參與G1/S和G2/M轉(zhuǎn)換

12、的調(diào)控。同時(shí)，他還證實(shí)了人的cdc2與釀酒酵母cdc28具有64.5% 的同源性。因此，納斯認(rèn)為以cdc2（cdc28）對細(xì)胞周期的調(diào)控機(jī)制在真核生物中具有普遍性。并于1990年提出了“期啟動調(diào)節(jié)的普遍機(jī)制”，認(rèn)為“從酵母到海洋無脊椎動物直至人類的所有真核細(xì)胞中都存在一個(gè)共同的分子機(jī)制來調(diào)節(jié)期的啟動”。cdc2與cdc28基因的編碼產(chǎn)物CDC2和CDC28就是最早發(fā)現(xiàn)的CDKs。而蒂莫西·亨特通過用海膽做模型發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的周期性降解，這種周期性降解的蛋白就是細(xì)胞周期素，并闡明周期素的降解是細(xì)胞周期中一種重要的普遍控制機(jī)制。目前，從酵母中所鑒定出來的細(xì)胞周期相關(guān)基因已達(dá)已達(dá)200多個(gè)，

13、其中許多都在人類和哺乳類動物中找到了同源基因，而僅在人體內(nèi)就發(fā)現(xiàn)了十余種不同的周期素，并較為成功地揭示了細(xì)胞周期的調(diào)控機(jī)制三、酵母雙雜交系統(tǒng)（yeast two-hybrid system ）細(xì)胞生命活動中的許多過程諸如酶催化代謝反應(yīng)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、蛋白質(zhì)的修飾與加工、蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)等都表現(xiàn)為一種蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)間的相互作用。傳統(tǒng)的免疫印跡、Western blot等方法很難滿足對蛋白質(zhì)分子之間相互作用這一動態(tài)過程的研究需要。在這樣的需求下， Fields S和Song O于1989年創(chuàng)立了一種非常簡便而有效的研究蛋白質(zhì)相互作用的方法酵母雙雜交系統(tǒng)，它最突出的特點(diǎn)是可以在酵母這種生長迅速且易操作的體系

14、中研究真核細(xì)胞的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，而且還可通過cDNA文庫篩選直接找到與未知蛋白質(zhì)相互作用蛋白的基因。酵母雙雜交系統(tǒng)一經(jīng)問世，便極大地加速了人們對蛋白質(zhì)功能和生命活動分子機(jī)制的認(rèn)識進(jìn)程。（一） 酵母雙雜交系統(tǒng)的原理 酵母雙雜交系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)源自20世紀(jì)80年代末對真核轉(zhuǎn)錄因子特性的認(rèn)識。研究證實(shí)，很多真核基因的表達(dá)通常處于本底水平或不表達(dá)，在有轉(zhuǎn)錄激活蛋白的誘導(dǎo)的情況下才會出現(xiàn)高水平表達(dá)。通常，這種轉(zhuǎn)錄因子均具有兩個(gè)相互獨(dú)立的功能：與特異性 DNA序列（啟動子）結(jié)合的功能和引導(dǎo)RNA聚合酶激活轉(zhuǎn)錄的功能。同時(shí)更重要的發(fā)現(xiàn)是：這兩種功能分別由兩個(gè)獨(dú)立的功能區(qū)域負(fù)責(zé)，即DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域 (D

15、NA-binding domain，DNA-BD) 和轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域 (activation domain, AD)。通常，前者負(fù)責(zé)結(jié)合基因上游順式激活序列 ( upstream activation sequence, UAS)，后者則負(fù)責(zé)引導(dǎo)RNA聚合酶復(fù)合體激活基因轉(zhuǎn)錄。DNA-BD和 AD對激活轉(zhuǎn)錄均是必不可少的，在理論上，任何一個(gè)AD都可以與任何一個(gè) DNA-BD結(jié)合并激活轉(zhuǎn)錄，即雜合的DNA-BD和AD可以組成一個(gè)具有功能的轉(zhuǎn)錄激活蛋白。不僅如此，只要 DNA-BD和AD能夠通過一定的方式在空間上足夠的靠近（例如借助其他蛋白質(zhì)的幫助使其足夠靠近），這樣，即使它們之間沒有共價(jià)結(jié)合也同

16、樣可以激活轉(zhuǎn)錄。 目前最成熟也最常用的DNA-BD和AD均來自酵母的GAL4轉(zhuǎn)錄因子(它們分別定位于 1-147位和768 -881位氨基酸)。第一步，通過DNA重組技術(shù)設(shè)計(jì)兩個(gè)雜交蛋白：將編碼已知蛋白質(zhì) (常稱為誘餌蛋白，bait protein)的基因與編碼BD的序列融合并在酵母中表達(dá)產(chǎn)生融合蛋白BD-Bait，同時(shí)將編碼末知蛋白 (該蛋白常稱為捕獲蛋白或獵物蛋白，prey protein)的基因與編碼AD的序列融合并在酵母中表達(dá)產(chǎn)生另一融合蛋白AD-Prey。第二步，將表達(dá)上述兩個(gè)雜交蛋白的載體通過共同轉(zhuǎn)移到一特別的酵母細(xì)胞株中去。該酵母中的gal4基因是缺失的，但卻有一個(gè)受GAL4轉(zhuǎn)錄

17、因子激活的報(bào)告基因（一般是-半乳糖苷酶基因。這樣，如果誘餌蛋白和獵物蛋白能夠相互作用的話，就會使DNA-BD和AD發(fā)生，從而激活報(bào)導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄。如果誘餌蛋白和獵物蛋白不能發(fā)生相互作用，則DNA-BD和AD不能結(jié)合的話，報(bào)導(dǎo)基因的轉(zhuǎn)錄就不能被激活。與許多傳統(tǒng)的方法相比 ,酵母雙雜交系統(tǒng)具有重大的突破：（1）整個(gè)操作均在體內(nèi)進(jìn)行，避免了體外條件下所出現(xiàn)的許多不利因素的影響；（2）靈敏度高，尤其是在檢測蛋白質(zhì)之間弱相互作用時(shí)更為突出；（3）勿需進(jìn)行蛋白的純化等操作，整個(gè)過程較為簡單；（4）所使用誘餌蛋白既可以是完整蛋白，也可以小到僅為一個(gè)功能結(jié)構(gòu)域。 圖6-1酵母雙雜交系統(tǒng)的原理（二） 酵母雙雜交系統(tǒng)

18、的應(yīng)用 酵母雙雜交系統(tǒng)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于包括核蛋白、胞質(zhì)蛋白、膜蛋白、線粒體蛋白、胞外蛋白等各種蛋白質(zhì)在內(nèi)的的功能研究中。根據(jù)研究目的之不同常被用于：（1）檢測已知的蛋白之間是否存在相互作用；（2）尋找蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用所必需的功能結(jié)構(gòu)域（domain）或基序(motif)；（3）尋找可與已知蛋白結(jié)合的未知蛋白；（4）確定蛋白或多肽類藥物的作用機(jī)理。（三） 酵母雙雜交系統(tǒng)的發(fā)展大量未知的、重要的蛋白質(zhì)之間的相互作用已隨著酵母雙雜交系統(tǒng)這個(gè)方法的廣泛應(yīng)用而被揭示。同時(shí)近年來為了適應(yīng)更廣泛的用途，在原有酵母雙雜交系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展了大量的衍生系統(tǒng)：如用于研究蛋白質(zhì)-DNA的相互作用的單雜交系統(tǒng)（one-

19、hybrid system）；用于研究解離或破壞蛋白質(zhì)相互作用因子的逆向雙雜交系統(tǒng)（reverse two-hybrid system）；用于研究蛋白質(zhì)-蛋白與RNA、多肽、小配體等不同種類分子的相互作用的三雜交系統(tǒng)（three-hybrid system），這種三雜交系統(tǒng)既利用了雙雜交系統(tǒng)中的兩個(gè)融合蛋白AD-Prey和BD-Bait，同時(shí)這兩個(gè)融合蛋白的相互作用必須借助于第三種分子，而這第三種分子可以是蛋白質(zhì)、小分子多肽和核酸，因而就產(chǎn)生了蛋白質(zhì)三雜交系統(tǒng)、激酶三雜交系統(tǒng)、小配體三雜交系統(tǒng)、RNA三雜交系統(tǒng)等類型。此外，還出現(xiàn)了為研究膜蛋白的相互作用而改進(jìn)的SOS富集系統(tǒng) ( SOS re

20、cruitment system，SRS)。在該系統(tǒng)中，蛋白質(zhì)之間的相互作用被人為限制在酵母細(xì)胞膜上。四、酵母與基因功能研究 酵母作為高等真核生物特別是人類基因組研究的模式生物，其重要作用還體現(xiàn)在：當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)功能未知的人類新基因時(shí)，可以通過到相關(guān)酵母基因組數(shù)據(jù)庫中檢索與之同源的功能已知的酵母基因，并獲得其功能方面的相關(guān)信息，從而加快對人類基因的功能研究。有許多涉及遺傳性疾病的基因均與酵母基因具有很高的同源性，研究這些基因編碼的蛋白質(zhì)的生理功能以及它們與其它蛋白質(zhì)之間的相互作用將有助于加深對這些遺傳性疾病的了解。例如，早在1970年Cleaver等就曾報(bào)道，著色性干皮病和紫外線敏感的酵母突

21、變體都與缺乏核苷酸切除修復(fù)途徑(nucleotide excision repair，NER)有關(guān)。1990年，人們就克隆了著色性干皮病相關(guān)基因XPD，并發(fā)現(xiàn)它與酵母NER途徑的RAD3基因有極高的同源性（參見表13-14）。Francoise等研究了170多個(gè)通過功能克隆得到的人類基因，發(fā)現(xiàn)它們中有42%與酵母基因具有明顯的同源性，這些人類基因的編碼產(chǎn)物大部分與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、膜運(yùn)輸或者DNA合成與修復(fù)有關(guān)，而那些與酵母基因沒有明顯同源性的人類基因主要編碼一些膜受體、血液或免疫系統(tǒng)組分，或人類特殊代謝途徑中某些重要的酶和蛋白質(zhì)。 五、幾個(gè)與酵母有關(guān)的網(wǎng)站http:/genome第二節(jié) 果蠅一、

22、概述果蠅（fruit fly 或 vinegar fly）是一種廣泛存在于全球溫帶及熱帶氣候區(qū)，以腐爛水果為主食的一種昆蟲。果蠅的生活周期短，繁殖快，子代多。一般在250C下由卵發(fā)育成成蟲大約需要11天，在180C則所需時(shí)間加倍，在160C則需要3倍的時(shí)間。此外，果蠅的飼養(yǎng)也極為簡單，而且還有大量易于辨認(rèn)的體外表型，適合大規(guī)模飼養(yǎng)。在全球所發(fā)現(xiàn)的果蠅的種類大約有1000種之多，但被用于科學(xué)研究作為模式生物的主要是黑腹果蠅（drosophila melanogaster）。1998年，Celera公司開始對果蠅基因組進(jìn)行研究，在不到兩年的時(shí)間里破譯了果蠅的序列，并于2000年3月宣布了基因組全序

23、列為180Mb，包括有13601個(gè)基因，其中一半的基因功能還沒有搞清楚，有1600個(gè)堿基跨度區(qū)仍未能完全測序。果蠅基因組的完成使人們確信“全基因組鳥槍法”( whole genome shotgun)和“片斷處理法”的結(jié)合將成為解譯大基因組最有效的方法。另外，Celera在果蠅基因組計(jì)劃中發(fā)現(xiàn)了幾千條新基因，這些新基因與一些重要蛋白例如激酶、離子通道、分泌蛋白、G-蛋白受體等有關(guān)。這些重要蛋白在研究新的醫(yī)療方法和殺蟲劑方面都有極重要的價(jià)值。二、 模式生物果蠅的應(yīng)用自從摩爾根使果蠅成為經(jīng)典遺傳學(xué)的主要模式生物以來已有100年了。果蠅作為一種重要的模式生物在生物學(xué)研究中占有重要位置，其它最大的優(yōu)勢

24、在于基因組已研究清楚，而且易于進(jìn)行遺傳操作，有較豐富的行為，它作為研究遺傳、發(fā)育、神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病、學(xué)習(xí)記憶和類認(rèn)知行為的模式生物亦受到了廣泛重視，被譽(yù)為“遺傳學(xué)與分子發(fā)育生物學(xué)國王”。對果蠅的研究也分別于1933年、1946年、1995年三度獲得諾貝爾獎。（一）果蠅與基因定位研究黑腹果蠅是經(jīng)典遺傳學(xué)家喜歡的實(shí)驗(yàn)材料。當(dāng)年摩爾根就是利用果蠅才發(fā)現(xiàn)了“基因的連鎖與互換”定律。果蠅不僅飼養(yǎng)容易、繁殖快，有著很多很容易鑒別的表型，是典型的“雌雄異體”生物，雌雄容易識別，可以進(jìn)行各種有目的的交配，得到各種重組性狀，進(jìn)而揭示基因的位置?！斑z傳作圖”的建立在很多方面是采用了研究果蠅得到的經(jīng)驗(yàn)。果蠅只有三

25、對染色體。更有趣的是，果蠅幼蟲的唾液腺的染色體很大，大到人的肉眼就可以看到，上面還有有規(guī)律的條紋，可以把一個(gè)基因的位點(diǎn)準(zhǔn)確定位到某一條紋上。（二）果蠅與基因功能鑒定 在經(jīng)典的遺傳學(xué)研究中，基因的功能主要是通過反向遺傳學(xué)的方法而確定的。即先使某個(gè)基因產(chǎn)生突變，通過分析基因突變后的異常表型從而再反推正?；虻恼１硇汀鹘y(tǒng)的基因誘變主要是通過物理和化學(xué)誘變的方法而實(shí)現(xiàn)的。但自從發(fā)現(xiàn)果蠅中存在轉(zhuǎn)座子（如P因子）后，通過利用獨(dú)特的因子插入誘變法，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模誘發(fā)單基因突變并進(jìn)行基因功能研究。因子是果蠅中的一種自主轉(zhuǎn)座因子，由轉(zhuǎn)座基因和轉(zhuǎn)座酶兩個(gè)基因組成。當(dāng)轉(zhuǎn)座基因和轉(zhuǎn)座酶基因兩者都存在時(shí)，因子轉(zhuǎn)座，從

26、而引起插入位點(diǎn)及其附近的基因產(chǎn)生突變；但如果轉(zhuǎn)座酶基因缺失，轉(zhuǎn)座便不能發(fā)生。根據(jù)上述理論依據(jù)，因此只要建立兩個(gè)品系，其中一個(gè)含有正常的轉(zhuǎn)座基因，而轉(zhuǎn)座酶基因異常；另一個(gè)含有正常的轉(zhuǎn)座酶基因，而轉(zhuǎn)座基因異常，則在該品系內(nèi)，轉(zhuǎn)座便不能發(fā)生。但若讓兩個(gè)品系雜交，則F1代可以發(fā)生轉(zhuǎn)座，并大規(guī)模地引起插入位點(diǎn)的單基因產(chǎn)生突變。由于因子的插入位點(diǎn)可以通過染色體原位雜交的方法檢測到，而因子插入位點(diǎn)兩側(cè)的基因又可以通過質(zhì)粒獲救的方法克隆出來，因此果蠅的因子誘變與其它生物只能通過化學(xué)誘變的方法相比，不僅誘變效率高，而且所誘發(fā)的主要是單基因突變，并且誘變基因容易分離和克隆，使后續(xù)的研究更加方便和容易?；蚪M測序的

27、結(jié)果顯示，人類基因與果蠅的同源性高達(dá)80，大多數(shù)人類基因?yàn)槔ハx同等物的復(fù)制（根據(jù)Holland PWH與Miklos GL以及Rubin GM的研究）。人類和果蠅之間同源性，不僅僅只表現(xiàn)在簡單的結(jié)構(gòu)域和蛋白質(zhì)的保守，實(shí)際上，某些復(fù)合物和多步驟的代謝途徑也是保守的。而果蠅與人類基因的這種同源性必然使得對人類基因功能的解析更為快捷。（三）與人類疾病根據(jù)美國能源部的相關(guān)統(tǒng)計(jì)，利用模式生物果蠅，已有100多種人類疾病的致病基因被鑒定出來。而我國學(xué)者，湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院吳秀山博士所率領(lǐng)的的課題組，利用因子插入誘變法已在果蠅體內(nèi)篩選出200多個(gè)導(dǎo)致心臟畸形的突變系和100多個(gè)周圍神經(jīng)突變系，然后初步

28、克隆和鑒定了50個(gè)有關(guān)人類心臟發(fā)育的候選基因，該成果已申請了7項(xiàng)國家發(fā)明專利。中科院上海生化所研究員費(fèi)儉等人在實(shí)驗(yàn)鼠身上發(fā)現(xiàn)，當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳遞抑制性信號的GABA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白過度表達(dá)時(shí)，小鼠的學(xué)習(xí)記憶力就變得差勁，并會誘發(fā)癲癇等疾病，為研制人為調(diào)控基因的藥物提供了有益啟示。三、幾個(gè)與模式生物果蠅有關(guān)的網(wǎng)站http:/flyview.uni-muenster.de/ 第三節(jié) 小鼠一、概述小鼠屬脊椎動物門，哺乳綱，嚙齒目，鼠科，小鼠屬動物。小鼠的世代短，成熟早，繁殖很強(qiáng)，屬全年、多發(fā)情動物，一年可產(chǎn)仔胎數(shù)610胎，每胎產(chǎn)仔數(shù)815頭，且具有體型小、易于管理等特點(diǎn)。在進(jìn)化上，小鼠與人類的距離較近，約有

29、1億年。其解剖學(xué)結(jié)構(gòu)、發(fā)育過程、生化代謝途徑都與人接近，為人類疾病的克隆提供了極佳的實(shí)驗(yàn)材料。作為經(jīng)典的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動物，小鼠已經(jīng)對醫(yī)學(xué)諸多領(lǐng)域的研究作出了卓越貢獻(xiàn)。二、小鼠成為模式生物的歷程從第一次被作為實(shí)驗(yàn)材料，到基因組測序的完成，小鼠在遺傳學(xué)研究中已經(jīng)有上百年的歷史了。作為十分重要的模式生物之一，小鼠不僅為基礎(chǔ)生物學(xué)研究做出了一系列重要貢獻(xiàn)，更是在人類認(rèn)識自身，戰(zhàn)勝疾病的進(jìn)程中功不可沒?；仡櫄v史，我們不難發(fā)現(xiàn)，小鼠成為重要的模式生物是偶然中的必然。小鼠成為模式生物大概經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。 （一）屬鼠的出現(xiàn)鼠屬出現(xiàn)在地球上大約是在6000萬年前，。（二）寵物鼠的出現(xiàn)19世紀(jì)，由于寵物愛好者在1

30、9世紀(jì)選擇性的飼養(yǎng)家鼠，從而逐漸出現(xiàn)了一些具有各種可愛顏色皮毛的寵物鼠。（三）從寵物鼠到實(shí)驗(yàn)鼠1897年，生物學(xué)家William Haacke 發(fā)現(xiàn)白鼠和雜色鼠雜交會產(chǎn)生重組表型。他注意到所出生的第一代老鼠全部是雜色的，但到了第二代卻出現(xiàn)了重組表型：既有白色鼠又有雜色鼠。William Haacke觀察到的現(xiàn)象實(shí)際上已經(jīng)觸及了孟德爾遺傳學(xué)，但卻因?yàn)闆]有嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使得他的報(bào)告受到了一些爭議，這項(xiàng)重要的工作最終也被忽視了。20世紀(jì)初，科學(xué)家們也開始意識到可以用這些不同顏色的老鼠進(jìn)行一些遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)，這些寵物鼠成了實(shí)驗(yàn)鼠的“先驅(qū)”。1902年，哈佛大學(xué)的William Ernest Castle

31、利用以一位名叫Abbie Lathrop的退休教師所飼養(yǎng)的寵物鼠為實(shí)驗(yàn)材料，通過對這些老鼠的毛色進(jìn)行觀察，以驗(yàn)證孟德爾定律的正確性。1905年，法國遺傳學(xué)家Lucien Claude Cuéno通過對黃白相間的雜色鼠進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)攜帶黃色皮毛基因的老鼠之間交配，其子代老鼠中黃色老鼠和白色老鼠的數(shù)量比總是2:1。Cuénot據(jù)此認(rèn)為，黃色基因?qū)Π咨騺碚f是顯性的。但是這個(gè)數(shù)據(jù)似乎并不完全符合孟德爾法則，因?yàn)榘凑彰系聽柗▌t，黃鼠與白鼠數(shù)量之比應(yīng)當(dāng)是3:1才對，另外那部分黃色老鼠究竟哪去了呢？后來，Castle 和 Little經(jīng)過研究才終于發(fā)現(xiàn)，原來那些“失蹤”了的老鼠在

32、還未出生就死掉了！這意味著，攜帶兩個(gè)黃色基因?qū)鲜髞碚f是致死性的！同時(shí)，這也是所報(bào)道的第一個(gè)等位純合致死基因。1909年，一個(gè)來自于William Castle 實(shí)驗(yàn)室的哈佛大學(xué)生物學(xué)家Clarence Cook Little，培育出了第一個(gè)近親繁殖的小鼠株系DBA。他堅(jiān)信研究遺傳物質(zhì)純合的老鼠種群更有助于解開人類疾病的秘密。小鼠DBA株系被公認(rèn)為第一個(gè)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)鼠株系，而且直到今天它仍然是遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的重要實(shí)驗(yàn)材料。1921年，Clarence Cook Little又將從Abbie Lathrop的農(nóng)場里買回來的一只編號為57的雌性小鼠的后代培育成了著名的C57BL的小鼠株系，成為使用最廣

33、泛，最重要的小鼠株系之一。1929年， Hudson在汽車公司的巨頭Edsel Ford和Roscoe Jackson兩位大財(cái)閥的資助下，Charence Cook Little 在美國的緬因州Bar Harbor 建立了Jackson 實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室隨后成了世界上最重要的老鼠遺傳學(xué)研究中心之一。（四） 成為重要的模式生物 近交系小鼠的建立極大推動了以小鼠為模型的科學(xué)研究，目前已建立的品系有近千種之多，常用的近交系小鼠也有50個(gè)品系之多。1916年，Clarence Cook Little 和 Ernest Tyzzer 通過利用近交系小鼠進(jìn)行腫瘤移植發(fā)現(xiàn)了腫瘤移植排斥現(xiàn)象。隨后，Jacks

34、on實(shí)驗(yàn)室的George Snell對此問題進(jìn)行了更深入研究，終于在20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)了組織相容性基因。這項(xiàng)重要的發(fā)現(xiàn)從此開辟了免疫學(xué)研究的新時(shí)代。Snell也因此榮獲了1980年的諾貝爾獎。1972年，Jackson 實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了第一個(gè)哺乳動物遺傳學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫，取代了以往的卡片式文件數(shù)據(jù)庫。1982年，Richard Palmiter 和 Ralph Brinster 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組將一個(gè)能夠被鋅調(diào)控的DNA元件與大鼠的生長激素基因構(gòu)建在一起，通過將其注射到小鼠胚胎中，從而培育出了第一批轉(zhuǎn)基因小鼠。轉(zhuǎn)基因小鼠的出現(xiàn)掀起了遺傳學(xué)研究的新浪潮。19871989年，Martin Evans，O

35、liver Smithies 和 Mario Capecch 領(lǐng)導(dǎo)的幾個(gè)研究小組通過對胚胎干細(xì)胞中特定目標(biāo)基因進(jìn)行失活，培育出了第一只基因剔除小鼠。1998年，也就是在1997年克隆羊“多莉”誕生之后不久，夏威夷的一個(gè)小組培育出了第一批克隆鼠“Cumulina”和她的姐妹們。1999年，人類基因組三個(gè)主要測序中心（The Wellcome Trust Sanger Institute, The Whitehead Center for Genome Research 和 Washington University Genome Sequencing Center）成立了一個(gè)相互協(xié)作的小鼠基因組

36、測序機(jī)構(gòu)，取名為小鼠基因組測序協(xié)會（Mouse Genome Sequencing Consortium ,MGSC)。小鼠基因組測序項(xiàng)目正式啟動。到2002年，MGSC已經(jīng)發(fā)展到了擁有6個(gè)國家的26個(gè)研究機(jī)構(gòu)。2001年6月，美國公司的私人公司Celera 使用鳥槍法測得了用于銷售的小鼠序列草圖。該小鼠序列草圖是一種一次性測得基因組全序列的技術(shù)。Celera 公司的序列基于四個(gè)小鼠株系，其中包括了DBA株系，但不包括公共基金項(xiàng)目已經(jīng)在測的C57BL/6J株系。2002年8月，MGSC公布了小鼠基因組的的物理圖譜，同年12月，MGSC公布了C57BL/6J品系小鼠基因組序列草圖，覆蓋了96的常

37、染色質(zhì)區(qū)，并且做了分析。這個(gè)基因組大小約為2.5Gb，比人類基因組要小14，預(yù)計(jì)基因的數(shù)目也少于30000個(gè)。約有40%的小鼠和人類基因組序列高度相似，99%的小鼠基因均能在人類基因組中找到相應(yīng)的基因（80%的人類基因在小鼠基因組中能找到相應(yīng)的基因）。三、模式生物小鼠的應(yīng)用（一）轉(zhuǎn)基因小鼠與基因剔除（knock out）小鼠圖6-2 帶有人生長激素基因的轉(zhuǎn)基因小鼠（右側(cè)小鼠為轉(zhuǎn)基因小鼠，左側(cè)為正常小鼠）。Richard Palmiter 和 Ralph Brinster利用基因工程技術(shù)所改造的“超級小鼠”（supermouse）創(chuàng)立了“轉(zhuǎn)基因小鼠”這一嶄新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為基因的表達(dá)和功能鑒定提供

38、了一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。基于DNA同源重組理論的“基因打靶”（gene targeting）/ “基因剔除”，使得利用“轉(zhuǎn)基因小鼠”系統(tǒng)研究基因功能更加完善。到目前為止，已經(jīng)至少有80多種轉(zhuǎn)基因小鼠和200余個(gè)基因剔除小鼠被建立起來了。最近，通過將人類基因克隆進(jìn)小鼠胚胎干細(xì)胞建立“活體文庫”（in vivo library），又為基因組學(xué)研究提供了一種嶄新的思路與技術(shù)。（二）小鼠突變品系與人類疾病研究過去100多年的實(shí)踐證明，小鼠已經(jīng)成為建立人類遺傳性疾病的動物模型的最佳實(shí)驗(yàn)材料。小鼠生理生化和發(fā)育過程和人類相似性，基因組的高度同源性以及的基因組改造技術(shù)的成熟性，均說明利用小鼠建立人類疾病的模型

39、可以真實(shí)模擬人類疾病的發(fā)病過程及對藥物的反應(yīng)。因此，利用小鼠等模式動物建立的人類疾病模型具有重大理論和運(yùn)用價(jià)值。七十年代末，Nusslein-Vollhard和Wieschaus運(yùn)用EMS對誘變產(chǎn)生的果蠅突變系進(jìn)行大規(guī)模篩選，他們的工作為系統(tǒng)研究果蠅的發(fā)生發(fā)育機(jī)制建立了新的理論，推動了整體生物學(xué)的發(fā)展，并因此而獲得了諾貝爾獎。從90年代末，利用ENU（ethylnitrosourea，乙基亞硝基脲，一種類似于EMS的烷化劑）進(jìn)行化學(xué)誘變，已成為了最有前景的產(chǎn)生突變型小鼠的方法。在過去的幾年中已有上千種新的突變型小鼠被篩選出來。從基因功能改變的角度來看，ENU不但可以誘導(dǎo)基因功能完全性缺失突變

40、(null mutation)，也可以導(dǎo)致基因功能部分缺失性突變 (hypomorphic or hypermorphic mutation) ；從DNA結(jié)構(gòu)改變的角度來看，ENU作為一種DNA烷化劑主要造成點(diǎn)突變 (point mutation)?；谏鲜鲞@些特點(diǎn)，ENU誘變產(chǎn)生的小鼠動物模型更能真實(shí)的模擬人類遺傳疾病。而在另一方面，通過對小鼠的疾病模型的深入研究將為生物醫(yī)藥技術(shù)產(chǎn)業(yè)帶來了巨大商機(jī)。目前，幾乎所有新培育的小鼠模型，特別是心血管、代謝疾病及老年病等嚴(yán)重危害人類健康的重大疾病的動物模型都被申請了專利。以我國小鼠遺傳工程資源庫的研究成果為例，研究人員運(yùn)用ENU誘變方法已經(jīng)得到了30

41、多種小鼠突變品系，其中包括白內(nèi)障、耳聾、骨密度異常、肢體缺陷及毛發(fā)異常等，克隆了部分相關(guān)突變基因，這些突變基因?qū)檫@些疾病的治療找到新的藥物靶點(diǎn)，并為新藥的篩選和開發(fā)提供模型。再比如，我國南京大學(xué)模式生物遺傳研究中心通過對不育小鼠品系的研究，先后找到16個(gè)候選致病基因，為人類不育癥研究提供了非常重要基礎(chǔ)。四、幾個(gè)與模式生物小鼠有關(guān)的網(wǎng)站第四節(jié) 斑馬魚一、概述斑馬魚是生長在印度、巴基斯坦淡水河流中的一種硬骨魚（鯉魚），成年魚全身僅長45厘米，因全身橫向分布著一道一道褐色的斑馬線而得名。斑馬魚很容易在實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)，一般3個(gè)月就可以達(dá)到生殖成熟期，雌魚每次產(chǎn)卵200枚左右，一生可產(chǎn)卵數(shù)千枚，斑馬魚所產(chǎn)

42、之卵經(jīng)24小時(shí)即可胚胎發(fā)育成熟，仔魚期只有1個(gè)月。更獨(dú)特的是，斑馬魚的卵是透明的，整個(gè)胚胎發(fā)育在體外完成，也是透明的，這就使得人們不僅可以很容易得到胚胎，而且還可以在顯微鏡下直接觀察斑馬魚胚胎發(fā)育的過程，不僅可作為脊椎動物模型來研究脊椎動物的胚胎發(fā)育過程，還是一種可用于人類疾病的研究的模式生物。 圖 6-3 斑馬魚照片二、斑馬魚成為模式生物的歷史斑馬魚作為模式生物僅有20多年的歷史，最早將斑馬魚作為模式生物研究的是美國Oregon大學(xué)已故的著名遺傳學(xué)家George Streisinger，其標(biāo)志為1981年他在Nature雜志上所發(fā)表的關(guān)于斑馬魚人工雌核發(fā)育的研究的論文。從此，斑馬魚開始引起人

43、們的關(guān)注。1994年，以“斑馬魚發(fā)育和遺傳”為主題的會議在冷泉港召開。1996年，著名的Development雜志上發(fā)表了一系列與斑馬魚各系統(tǒng)組織 (心血管、脊索、腦等 )發(fā)育的突變體有關(guān)研究的報(bào)告，從而揭開了斑馬魚用于基因、基因組學(xué)組、脊椎動物發(fā)育以及人類疾病研究的序幕。2002年5月，Science雜志又刊出了一期有關(guān)斑馬魚的研究專輯，標(biāo)志這一斑馬魚為模式生物的研究進(jìn)入到一個(gè)新的階段。三、模式生物斑馬魚的應(yīng)用 斑馬魚在工業(yè)實(shí)驗(yàn)室中常被用作毒理學(xué)檢驗(yàn)，是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的五種實(shí)驗(yàn)魚種之一。但隨著對斑馬魚的進(jìn)一步了解，其作為模式生物在生命科學(xué)以及醫(yī)學(xué)研究中的作用正在崛起。（一） 以斑馬魚為模

44、型研究目的基因在脊椎動物中的表達(dá)和功能 利用斑馬魚胚胎透明的特點(diǎn)，構(gòu)建綠色熒光蛋白（GFP）與內(nèi)源性靶蛋白的融合蛋白，通過觀察融合蛋白的熒光分布情況，借以確定目的基因或目的蛋白的功能和表達(dá)特點(diǎn)。同時(shí)，還可通過檢測綠色熒光的分布，監(jiān)測外源蛋白的表達(dá)在斑馬魚中的表達(dá)與分布情況。（二） 斑馬魚與免疫學(xué)研究 斑馬魚作為免疫學(xué)新模式生物的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）與傳統(tǒng)的免疫學(xué)模式生物小鼠相比，斑馬魚有體型小，子代數(shù)量多，培育要求低，易于養(yǎng)殖，飼養(yǎng)成本低，便于開展大規(guī)模研究。（2）斑馬魚個(gè)體發(fā)育過程是在全透明狀態(tài)下完成，使得整個(gè)心血管系統(tǒng)的發(fā)育過程能十分完整的被觀察。特別是免疫系統(tǒng)個(gè)體發(fā)育的相關(guān)資料，是無法從小鼠

45、上所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中輕易獲得的。（3）先期對斑馬魚的遺傳學(xué)研究積累的豐富突變庫也為研究免疫相關(guān)基因的功能提供了條件。(4)在目前已知生物中，魚類是最早具備獲得性免疫系統(tǒng)的綱。這就使得對斑馬魚免疫系統(tǒng)的研究成為人們了解非特異性免疫系統(tǒng)和獲得性免疫系統(tǒng)進(jìn)化與功能相互關(guān)系的重要工具。這個(gè)獨(dú)特的免疫系統(tǒng)進(jìn)化地位還賦予了斑馬魚作為免疫學(xué)研究模式生物的另一重要優(yōu)勢，即其成體可以在沒有胸腺、淋巴細(xì)胞生成的情況下存活傳代，這又是小鼠模型無法比擬的。1999年，Herbomel等在觀察斑馬魚的巨噬細(xì)胞個(gè)體發(fā)育時(shí)發(fā)現(xiàn)，處于胚胎發(fā)育早期的斑馬魚巨噬細(xì)胞就具有對外源微生物大腸桿菌高效吞噬的能力。在受精30小時(shí)后，胚胎巨噬

46、細(xì)胞就已經(jīng)可以吞噬清除血液內(nèi)和局部組織中的外源微生物。當(dāng)給非血液系統(tǒng)中注射大腸桿菌后，5小時(shí)后即可在局部被斑馬魚巨噬細(xì)胞清除，且此時(shí)除了感染局部的3050個(gè)活化巨噬細(xì)胞外，血液中未接觸病原體的巨噬細(xì)胞也同樣表現(xiàn)出活化特性，這提示斑馬魚體內(nèi)可能還存在與哺乳動物相類似的細(xì)胞因子或趨化因子系統(tǒng)。2001年Yoder等報(bào)道了斑馬魚與人白細(xì)胞表面受體基因簇同源的序列，并通過體外轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)證明，斑馬魚在該區(qū)域的與ITAM基序高同源性的蛋白質(zhì)同樣有抑制小鼠MAPK信號途徑的功能，進(jìn)而還可抑制NK細(xì)胞的活化，這進(jìn)一步顯示出斑馬魚和人在該區(qū)域的基因結(jié)構(gòu)和功能都是保守的。2002年Neely等首先建立了細(xì)菌感染致病

47、性鏈球菌的斑馬魚模型。該研究選用鏈球菌 作為病原菌對斑馬魚進(jìn)行攻擊實(shí)驗(yàn)，得到了較為全面的感染過程、致死劑量、生存曲線資料，為進(jìn)一步研究非特異性免疫反應(yīng)中宿主和病原體相互奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。雖然斑馬魚作為免疫學(xué)研究的模式生物研究還只是開頭，但有理由相信，隨著斑馬魚基因組計(jì)劃的啟動，將會有越來越多的淋巴細(xì)胞特異性表達(dá)基因?qū)⒈幌嗬^克隆并，并會為人們進(jìn)一步探索淋巴細(xì)胞的成熟、歸巢等提供了良好的研究平臺。（三）斑馬魚與人類疾病研究據(jù)估計(jì)，斑馬魚的基因組中約有約30000個(gè)基因，這個(gè)數(shù)目與人差不多，而且它的許多基因與人類存在一一對應(yīng)的關(guān)系。斑馬魚的神經(jīng)中樞系統(tǒng)、內(nèi)臟器官、血液以及視覺系統(tǒng)，在分子水平上85與

48、人類相同，尤其是其心血管系統(tǒng)的早期發(fā)育與人類極為相似，故斑馬魚是研究心血管疾病基因的最佳模式生物。更為難得的是，斑馬魚中的腫瘤發(fā)生情況與人類亦極為類似。斑馬魚的基因特點(diǎn)使它研究可以成為一種很好的人體腫瘤模型。不久前，Langenau等通過將與人類白血病和淋巴瘤發(fā)生密切相關(guān)的鼠源性的c-Myc基因與一個(gè)存在于斑馬魚淋巴細(xì)胞內(nèi)的Rag2基因啟動子相融合，再將融合基因的末端連上GFP基因，隨后將三個(gè)基因的嵌合體注射到斑馬魚的胚胎細(xì)胞中，使所有的魚體細(xì)胞都包含有這種融合基因，從而建立起了白血病模型。Langenau等的結(jié)果表明所有攜帶有功能性c-Myc基因的魚都會產(chǎn)生腫瘤。由于斑馬魚的皮膚透明 ,研究

49、人員可以比較容易地觀察到帶有綠色熒光的白血病細(xì)胞的擴(kuò)散情況：它首先出現(xiàn)在胸腺(胸腺與免疫系統(tǒng)的發(fā)育有關(guān) ) ，隨后逐漸擴(kuò)散到胸腺附近的腮和眼睛后面的組織，進(jìn)而再步擴(kuò)散至骨骼肌和腹部器官。斑馬魚白血病模型的建立時(shí)的研究人員更容易弄清楚究竟是什么原因加快和減緩了急性成淋巴細(xì)胞白血?。ˋLL）的進(jìn)展，并為更快速、更直接的檢驗(yàn)和藥物治療提供了方便的研究評價(jià)模型。該模型的建立將會對對其他各種人體腫瘤模型的建立有很大的啟示作用，將會促進(jìn)其他的人體腫瘤模型的建立。近年來，借鑒果蠅、小鼠“飽和誘變”篩選突變體的策略，通過利用ENU、或X射線照射、以逆轉(zhuǎn)錄病毒為載體的插入誘變等辦法，尤其是ENU化學(xué)誘導(dǎo)法，可以

50、得到大量發(fā)生的單基因突變斑馬魚。目前，已有許多大規(guī)模的突變體篩選計(jì)劃正在斑馬魚中進(jìn)行，數(shù)千種各式各樣的組織發(fā)育異常突變體已經(jīng)被篩選出來。由于斑馬魚獨(dú)特的體外透明胚胎發(fā)育過程，使得人們對胚胎的獲得、突變體表型的觀察極為方便和高效。比如，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Leonard I Zon教授所領(lǐng)導(dǎo)的課題組就已經(jīng)成功篩選出50多種影響紅系造血功能的突變體斑馬魚。這些不同類型的突變表型涉及斑馬魚造血的各個(gè)階段：有的不能造血，有的是造血祖細(xì)胞分化受阻，有的是造血前體細(xì)胞增殖受阻，有的是光敏性血液病，有的是低色素在這些特定表型中，有許多和人類的某些先天性貧血 、地中海貧血非常相似。以這些斑馬魚模型為基礎(chǔ)，采取定位

51、克隆策略，有學(xué)者已經(jīng)鑒定出了一種與血色素合成有關(guān)的關(guān)鍵基因ALAS-2。在人類中，ALAS-2基因突變可引起X連鎖的鐵粒幼紅細(xì)胞性貧血。此外，還有學(xué)者利用斑馬魚發(fā)現(xiàn)了一個(gè)編碼鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的新基因，該基因突變可導(dǎo)致腸道內(nèi)鐵的吸收障礙，引起低色素性貧血，而在人體中，該基因則與常染色體顯性血色素沉著病有關(guān)。再者，斑馬魚的地中海貧血模型也已經(jīng)被建立，并被證實(shí)與血紅蛋白的一個(gè)基因作為有關(guān)。四、與斑馬魚研究有關(guān)的幾個(gè)網(wǎng)址，是一個(gè)斑馬魚模式生物數(shù)據(jù)庫，其長期目標(biāo)是促進(jìn)和支持斑馬魚遺傳學(xué)、基因組和發(fā)育等相關(guān)信息的整合及加速斑馬魚作為人類科學(xué)研究模式生物的應(yīng)用。網(wǎng)站提供斑馬魚基因，基因圖，基因變異，基因表達(dá)和進(jìn)行

52、斑馬魚研究的研究者和實(shí)驗(yàn)室信息。/cgi-bin/webdriver?MIval=aa-ZDB_home.apg，是一個(gè)斑馬魚信息網(wǎng)，ZFIN作為斑馬魚研究的信息平臺，旨在為研究者利用斑馬魚提供聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)庫資源，創(chuàng)建和支持斑馬魚遺傳學(xué)基因組學(xué)及發(fā)育學(xué)綜合性信息資源建設(shè)，維護(hù)確切的斑馬魚研究參考數(shù)據(jù)系統(tǒng)，建立該信息源與其他模型生物數(shù)據(jù)庫和人類數(shù)據(jù)庫的廣泛鏈接，為使斑馬魚成為人類生物學(xué)研究的模型生物提供便利條件，滿足研究團(tuán)體的需求。/cgi-bin/webdriver?MIval=aa-ZDB_home.apg 第五節(jié) 模式生物研究的現(xiàn)狀與和趨

53、勢一、模式生物基因組計(jì)劃與比較基因組學(xué)模式生物基因組計(jì)劃是人類基因組計(jì)劃的一個(gè)重要組成部分，是人類基因組計(jì)劃的必要補(bǔ)充并對后者的研究有很大的促進(jìn)作用。由于人類對自身理解的限制、實(shí)驗(yàn)的限制和倫理學(xué)的制約，醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的研究在很大程度上依賴于對一些模式生物的研究。在研究人類基因組的同時(shí)，平行地進(jìn)行一些微生物、植物、動物等模式生物基因組的研究，不僅可為人類基因組研究做方法學(xué)和組織工作的積累，而且通過將從模式生物中所得到的數(shù)據(jù)和資料與人類基因組進(jìn)行同源性比較，借以闡明人類相應(yīng)基因的功能。因此，一些與人類基因具有相似性，但結(jié)構(gòu)和基因組成都相對比較簡單的生物體就成為進(jìn)行人類基因組研究的絕好樣本，即為人類基

54、因組研究提供參照，對這些模式生物的基因組進(jìn)行測序和分析，就是模式生物基因組計(jì)劃。 1、模式生物基因組計(jì)劃的內(nèi)容 模式生物基因組計(jì)劃最初確定的模式生物有：大腸桿菌、酵母、擬南芥、線蟲、果蠅和小鼠等共六種，對這些處于生物演化不同階段的生物體的研究是認(rèn)識人基因組結(jié)構(gòu)和功能絕對不可缺少的，在后來的發(fā)展中逐漸加入了其它一些模式生物種類，如河豚魚、斑馬魚等。此外，一些具有重要生產(chǎn)價(jià)值的農(nóng)作物，如水稻基因組等的研究也加入到模式生物基因組計(jì)劃中來。隨著人類基因組計(jì)劃的不斷深入，將會有越來越多的模式生物體加入到模式生物基因組計(jì)劃中來。 表6-2 一些主要模式生物基因組研究概況物 種基因組大?。╞p）基因數(shù)目測序

55、完成年份大腸桿菌4.2×106 42881997年9月釀酒酵母 1.2068×107  60001996年10月擬南芥菜 1.0×108 250002000年12月秀麗隱桿線蟲 1.0×108 190991998年12月果蠅 1.2×108 136012000年3月小鼠 3.0×109 300002003年12月迄今至少已有5種真核生物（釀酒酵母、秀麗隱桿線蟲、果蠅、小鼠和擬南芥菜）、38種微生物完成全基因組序列分析的基因組測序，對功能基因的研究也有所突破。其它的模式生物基因組計(jì)劃也進(jìn)展順利，斑馬魚的測序工作也行將結(jié)束。2、模式生物基因組計(jì)劃的應(yīng)用前景 通過模式生物基因組計(jì)劃的研究為人類基因組計(jì)劃提供理想的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，發(fā)展新的基因組研究方法和技術(shù)，這僅僅只是模式生物基因組計(jì)劃的基本應(yīng)用。 模式生物基因組計(jì)劃最直接的應(yīng)用體現(xiàn)在生物信息學(xué)領(lǐng)域。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)功能未知的人類新基因時(shí)，可以迅速地到任何模式生物基因組數(shù)據(jù)庫中檢索與之同源的的功能