1、一、绪言,模式生物概念 作为实验模型以研究特定生物学现象的动物、植物和微生物。 选择：位于生物复杂性阶梯较低级位置上的生物相对简单：细胞数量更少、细胞分布相对单一。 进化细胞生命发育基本模式具同一性：共同形态形成和变化特征。 选择：方便和可行地来研究生命活动的基本规律和人类自身生理病理的过程的生物 有别于研究主体；研究它得到的结论，可适用于其他生物。,模式生物特点 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。,模式生物常用 病毒.噬菌
2、体(Bacteriophage) 细菌大肠杆菌(Escherichia coli) 真菌.酿酒酵母(Sacharomyces cerevisiae)， 腔肠动物门秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans） 节肢动物门家蚕（Bombyx mori ） 棘皮动物门海胆（Echinoidea） 两栖纲非洲爪蟾（Xenopus laevis ） 昆虫纲黑腹果蝇(Drosophila melanogaster) 鱼纲斑马鱼(Danio rerio) 哺乳纲小鼠(Mus musculus) 植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)、水稻Rice(OryzasativaL.)
3、,动物界,植物界,真菌界,原核生物界,微生物,（+原生生物界五界系统）,海胆sea urchin,最早-被使用（模式生物） 主用-早期发育生物学(受精,早期胚胎发育). 奠定-现代发育生物学第一块观念里程碑 1891年,Hans Driesh(18761941 ) 显微镜下把刚刚完成第一次卵裂的海胆胚胎一分为二 发现分开后的两个细胞各自形成了一个完整幼虫 证明了胚胎具有调整发育的能力,小鼠 mus musculus, mouse,属于-哺育纲啮齿母鼠科小鼠属 研究历史 1902年-哈佛大学Castle开始小鼠的遗传学研究，并对小鼠遗传和基因变化进行了系统分析。 1982年-首报转基因鼠 199
4、8年-在克隆羊Dolly羊出生后1年，克隆小鼠在夏威夷诞生 2002年-小鼠基因组全序列测序完成 2005年-大规模的基因删除研究开始在美国、欧盟和加拿大实施（Lin Z Y， 2006)。,研究优势 哺乳动物-与人的亲缘关系比较近（相对） 长期研究-培养了大批的实验人员 建立体系-了广泛地实验体系，如基因陷阱、化学诱变、基因定向突变等（Lin Z Y， 2006)。,黑腹果蝇 fruitfly,特点 繁殖迅速- 14天繁殖一代 染色体巨大-易基因定位 一套基因-控制了体节(14个体节构成完全对称的躯干)从上到下的发生过程 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
5、最基本因素 主用-遗传和发育研究,模式生物研究优势 生物学方面-长期研究 积累-很多关于果蝇的知识和信息 制备-了大量的分布于数以千计的基因中的突变体 果蝇还有很多携带便于遗传操作的表形标记、分子标记或其它标记的特征染色体，这些工具使得进行大规模基因组筛选分离一系列可见或致死表型，甚至可以分离那些只在突变个体的第二或第三代才表现的表型。 在技术方面-发展一些有效技术（现在还只能应用于果蝇） 如：增强子陷阱技术、定点同源重组技术、双组分异位基因表达系统、嵌合体分析技术及基因定点敲除技术等（Adams M D， 2002),主要研究领域 生物学方面 早期主要-用阐明真核生物遗传学基本原理与概念 广
6、泛应用-于发育生物学研究 如胚胎发育（Nusslein-Volhard C， 1980） 各种器官的形成（Lengyel J A， 2002） 神经系统的发育和高级神经活动与行为机制等（Guo J Z， 2005） 人类疾病研究 研究较多-神经退行性疾病 包括帕金森病（Feany M S， 2000）、阿尔兹海默病（Ye Y H， 1999）、多聚谷胺酰胺病（Steffan J S， 2004）以及脆弱X综合症（Zhang Y Q， 2001）等 另外肿瘤、心血管疾病、线粒体病等的研究模型,秀丽隐杆线虫 nematode,Caenorhaditis elegans,模式生物研究优势 通身透明,
7、长不过1mm 生命周期短-3.5天 身体细胞归类 幼虫:556个体细胞,2个原始生殖细胞 雌雄同体成虫:959个体细胞,2000个生殖细胞 雄性成虫(偶见):1031个体细胞,1000个生殖细胞,繁殖大量-一生可产约300粒受精卵 自然条件下是雌雄同体 细胞凋亡-固定的发育时间和固定位置消失 发育全部1090个细胞中，有131个细胞以一种不变的方式死亡（一定的细胞个数以及固定的细胞凋亡 杂交实验-自然条件或诱导下进行 可产生雄性个体来进行杂交实验-在遗传学研究方面有着无可比拟的优势 实现基因导入-线虫浸泡含有核酸溶液,主要研究领域 细胞生物学方面 一生中12细胞细胞凋亡而消失，其80在胚发育阶
8、段 突变个体研究证明（构建基因之间的双缺失突变体或进行转基因分析）-凋亡基因通过遗传组成一条线性的调控途径以控制细胞凋亡（Horvitz H R. 2002） 遗传调控途径为：egl1ced9ced4ced3，其中ced9和ced3的基因产物分别对应于哺乳动物的凋亡抑制因子Bcl2和执行凋亡的一类酶caspase。RNAi及其作用机制-生命科学重大贡献 RNAi的现象发现始于三十年前，当时人们发现反义RNA可以抑制内源性mRNA的翻译（Fire A， 1998） RNAi及miRNA的发现为疾病治疗提供了潜在地新手段。,RNA 干扰（RNA interference，RNAi）是与靶基因序列同
9、源的双链RNA(dsRNA)所诱导的一种特异性基因沉默现象。它是真核生物中存在的一种抗病毒入侵、抑制转座子活动、调控基因表达的监控机制，具有重大生物学意义,酵母 yeast,单细胞生物 可在基本培养基上生长,可完全控制其生长（改变物理或化学环境） 单、二倍体状态下均可生长 实验条件下控制单倍体和二倍体之间转换=利于研究基因功能 31%编码蛋白质的基因或ORF与哺乳动物编码蛋白质的基因有高度的同源性,斑马鱼zebra fish,最常用模式低等脊椎动物 模式生物研究优势 生物学 产卵多,繁殖迅速 体外受精，胚胎在体外发育并且透明 易于观察和操作-进行胚胎发育机理和基因组研究的好材料 受精卵直径约1
10、mm， 便于-显微注射和细胞移植,技术上 进行细胞标记和细胞谱系跟踪（同线虫和果蝇） 进行胚胎的细胞移植（同爪蟾一样） 基因水平-转基因技术、基因过量表达技术、随即及靶基因定向诱变等（Sun Z H， 2006)。,主要研究领域 生物学研究 母体启动的因子对启动胚胎发育的影响、体轴的形成机制、胚层的诱导与分化、胚胎中细胞的运动机制、神经系统的发育、器官的形成、左右不对称发育、原始生殖细胞的起源和迁移等（Wilson S M， 2004） 人类疾病模型斑马鱼突变体类似于人类疾病（Sun Z H， 2006） sau突变体类似于人ALAS2基因突变引起的先天性铁粒幼红细胞性贫血症 yqu突变体与人
11、的红细胞卟啉症类似 gridlock突变体类似于人类的先天性动脉血管收缩症等,拟南芥 Arabidopsis thaliana,属于：十字花科（同白菜、油菜、甘蓝等），无经济价值 研究历史 1943年Laibach：详细阐述了拟南芥作为模式生物的优势，并促成了1965年在德国召开的一届国际拟南芥会议 1986年-Meyerowitz实验室：首报道了对拟南芥一个基因的克隆（Chang C， 1986) 1988年：发表了拟南芥基因组的首个RFLP图谱，之后几年，相继报道TDNA插入突变基因的克隆、基于基因图谱的基因克隆等 2000年：完成了基因组全序列的测序工作（The Arabidopsis
12、Genome Initiative. 2000），第一个被完整测序植物,主研究领域 发育生物学研究 植物形态建成研究：主在花发育的ABC模式 A、B、C分指控制不同花器官发育的三类基因（Bowmen J L， 1991)。三类基因的表达产物各自决定的花器官位置，分布于相应的区域。某个基因发生突变后，它所控制的区域则会发育出其他类型的花器官。 根、茎、叶、胚胎和种子的发育也进行深入的研究,分子生物学研究-热点：miRNA研究 为完整认识高等生物中的miRNA生物合成过程提供了有价值的信息 成熟的miRNA是仅含有1923个碱基的核苷酸，可以通过碱基配对与一些基因的mRNA结合，在一些酶的共同作用
13、下破坏与之结合的mRNA或干扰mRNA的翻译（Bartel D P. 2004）。在拟南芥中，参与加工miRNA初始转录本的除了SCL1和HYL1之外，还有一个必需蛋白SERRATE（SE）。在miRNA的生物合成过程中还有一个重要的蛋白HEN1（Park W， 2002)。这两项研究,家蚕有可能成模式生物,研究历史 中国养殖-5000多年历史 十九世纪中后叶-法国.巴斯德:以家蚕作为主要研究生物，发表著名 “疾病生源论”理论，为现代西方医学基石之一 随后-昆虫的病原研究方面一直处于领先地位 作为模式生物优势 饲养方法成熟+有培育品系=驯化程度高 基因组全序列已经测定完毕（Xia Q Y， 2
14、004） 分子水平研究与其他模式生物不存在代差,独特优势 可按需要随时饲养任何发育时期的家蚕，且可获得大量发育同步的个体家蚕的卵-对家蚕发育的控制非常有利 有滋育和非滋育两种：非滋育卵孵化期仅10天左右；滋育卵的孵化期达10个月 滋育卵几乎可以随时解除滋育进行孵化 吐丝结茧，以分泌蛋白方式排泄体内过量的氮元素-生物界一种比较特殊现象 研究空间 探索人工驯化对生物进化影响（对比家蚕和野桑蚕） 如飞翔问题：未驯化的野桑蚕可以飞翔，而驯化家蚕已经丧失这些能力。同样在已经驯化的飞禽方面也存在这样的问题,理想生物反应器-生产人类有用的高纯度药用蛋白质 丝腺-高效率蛋白质工厂-通过基因组研究，解明茧丝生产的调控机理 韩国和日本合作，已在利用家蚕生产治疗高血压、糖尿病等疾病的药物方面取得了十余项专利。 鳞翅目类昆虫理想生物学模型 害虫（粮食作物和森林）-绝大多数属于鳞翅目类（鳞翅目类害虫占农业害虫的80） 家蚕生理（消化、嗅觉以及味觉）、病理、发育、行为和遗传致死基因的研究，-开发根治害虫基础 大量疾病模型 如癌症模型、糖尿病模型、发育畸形模型等，通过研究这些遗传模型，将在克隆人类疾病控制新基因、研究疾病机理和开发新药物上发挥重大作用，对解决人类疾病、寿命等重大问题具有重要参考价值,
