发育遗传学发展.docx

发育遗传学传统研究及其新趋势摘要模式生物是传统遗传学研究的重要材料，目前公认的用于遗传学研究的常见模式生物有噬茵体、大肠杆茵、酵母、线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠、拟南芥等这8种常用模式生物对生命现象的揭密和人类疾病治疗的探索等都所做出了重大贡献随着科技的进步，遗传学研究已经从表观遗传逐步向分子遗传推进，新的研究手段不断兴起，这将对遗传疾病治疗和杂交育种的研究具有巨大的冲击力本文在回顾传统遗传学研究手段的同时，也探讨了遗传学发展的新趋势关键词：模式生物 发育遗传学 非模式生物引言“种豆得豆”、“孩子长得像爸妈”等是长期以来人们都知道的遗传现象,首先是孟德尔(GregorMendel)在1865年的豌豆研究报告中首先科学地解释了人们习以为常的现象,而奠定了遗传学的基础但是孟德尔的遗传学说未被及时认识,直到1900年孟德尔逝世16年后,他的遗传学说才又被人们重新发现1911年,摩尔根(Margan)的果蝇实验证实了孟德尔的结果他的杰出研究确认染色体就是基因的载体,他和他的学生还推算出了果蝇各种基因的染色体上位置,并画出了果蝇的4对染色体上的基因所排列的位置图,基因学说得以诞生从此遗传学结束了仅凭逻辑推理时代,重大发现接踵而至,成为20世纪最重要的学科之一,生物学的研究重心也逐渐移向遗传学领域。

1．模式生物的由来及其作用在生物学发展之初，人们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，变化也较好观察并且由于进化的原因，细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性，所以利用较低等级的物种来研究发育的共通规律是具有一定的可行性尤其是当我们在有不同发育特点的生物中发现共同的形态形成和变化特征时，就可以以此来建立发育的普遍原理，因此这种生物就显得尤为重要，我们称之为“模式生物”理想的研究系统是科学发展的关键在发育生物学的形成和发展过程中，许多划时代的突破往往与一些模式物种相关今天，当我们回顾精子和卵子的发现及精卵受精这一重大发育生物学问题的诠释时，就会想起1 9世纪后期一批欧洲胚胎学家用海胆(seaurchin)所进行的一系列观察；当我们津津乐道1 995年度的诺贝尔奖获得者Ed，ward B．Lewis、Christiane Nusslein—Volhard和Eric F．Wieschaus关于早期胚胎发育基因调控的重大发现时，无不羡慕他们继承了基因学说的创建者FhomlaS Hunt Morgaln等的优良传统，选用果蝇这一绝好的模式动物；当1 997年和1 998年全世界的人们惊叹克隆羊、克隆牛和克隆鼠的诞生及体细胞克隆技术日臻成熟时，发育生物学研究者所思索的则是20世纪六七十年代英国发育生物学家John Gurdon．用非洲爪蟾这一有着王者之称的模式脊椎动物所进行的有关体细胞核移植的开创性研究工作。

特别是20世纪90年代分子发育生物学兴起后，模式生物显得更为重要模式生物不仅能回答最基本的生物学问题，对人类的疾病治疗也有借鉴意义近年来随着分子生物学、发育生物学的发展及功能基因组计划的开展，模式生物的作用便显得越来越重要模式生物在今天生命科学发展中的重要地位和推动生命科学及医学进步的不可替代的巨大潜力2．常用的模式生物及其特点模式生物具有许多共同的特征，如形体相对较小，在实验室内易于培养和繁殖，世代周期短，形态结构相对比较简单，繁殖系数高（后代数量众多）等，而且通常情况下它的基因组会比较小前两点是出于实验室空间考虑，而世代周期短是出于研究时间的考虑；形态结构的简单性能够减少特有生命现象的干扰，以便使人们更专注于生物遗传发育的基本规律 目前一些物种被大家公认为是优良的模式生物，如线虫、果蝇、非洲爪蟾、拟南芥、小鼠、斑马鱼、噬菌体、大肠杆菌、酿酒酵母、海胆等下面介绍几种经典的模式生物 2.1海胆 第一个被用作模式生物的是海胆，它的胚胎对早期发育生物学的发展有举足轻重的作用早在一八七五年，奥斯卡‧赫特维格（Oscer Hertiwig, 1849-1922）就开始以海胆为材料研究受精过程中细胞核的作用，一八九○年后，海胆更在受精和早期胚胎发育的研究中担任重要角色。

一八九一年，汉斯‧德瑞希（Hans Driesh, 1876-1941）在海胆中完成了胚胎分裂实验，为现代发育生物学奠定了第一块理念里程碑他在显微镜下把刚刚完成第一次分裂的海胆一分为二，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，并颠覆了盛行一时的机械论发育思想 海胆以其易于得到大量受精精卵，同步发育，胚体透明，孵化速度快的特点成为了生物学研究的模式生物由于棘皮动物的胚胎形成方式和脊索动物一样，所以样子虽然看起来原始，但实际上是包括人在内的脊索动物的近亲因此海胆引起基因组测序人员的重视而测序的结果分析表明海胆与人类有许多相似基因，但是人类基因数量比较多，提示在海胆与人类分道扬镳后,脊椎动物在进化过程中至少出现过两次全基因组复制 2.2果蝇 黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）属于昆虫纲的双翅目，20世纪初Morgan选择黑腹果蝇作为研究对象，建立了遗传的染色体理论，奠定了经典遗传学的基础并开创利用果蝇作为模式生物的先河20世纪80年代以后针对果蝇的基因组操作取得重大进展，并发展出一系列的有效技术2000年，果蝇的全基因组测序基本完成，全基因组约165Mb。

 果蝇体型小，体长不到半厘米；饲养管理容易，既可喂以腐烂的水果，又可配培养基饲料；一个牛奶瓶里可以养上成百只果蝇繁殖系数高，孵化快，只要1天时间其卵即可孵化成幼虫，2-3天后变成蛹，再过5天就羽化为成虫从卵到成虫只要10天左右，一年就可以繁殖30代果蝇的染色体数目少，仅3对常染色体和1对性染色体，便于分析作遗传分析时，研究者只需用放大镜或显微镜一个个地观察、计数就行了，从而使得劳动量大为减轻且果蝇与人类在身体发育、神经退化、肿瘤形成等的调控机制，都有非常多相通处，许多人类的基因在果蝇身上也有，甚至功能可以互通 生命周期快，繁殖容易和可进行基因定位研究的巨大的多线染色体等特性使果蝇最适合用于遗传分析它被科学家们称为上帝的礼物，是遗传学上的重要的实验材料同时也是重要的实验模型但是现代果蝇研究已经远不止停留在研究白眼突变和连锁互换规律的层次上了，更多的科学家关注着怎样使果蝇的研究更好地为人类服务，又由于果蝇在各个方面与人类有着惊人的相似之处，因此，人们将它应用于癌症疗法、全球暖化与气候变迁的初期预警系统、阿兹海默氏症与亨丁顿氏舞蹈症等神经退化失调症、以及酒瘾与药瘾遗传，还有失眠与时差的研究等等诸多领域。

 2.3斑马鱼  斑马鱼(Danio rerio)为一种热带硬骨鱼，是研究脊椎动物器官发育和人类疾病的重要遗传学模型之一20世纪70年代美国遗传学家George Streisinger注意到斑马鱼的优点，并开始研究其养殖方法、胚胎发育等，并发展一些相关的遗传学技术并在Nature上发表了关于斑马鱼体外受精、单倍体诱导技术相关的论文（Streisinger G， 1981）到20世纪90年代初，德国发育生物学家Christine Nusslein－Volhard以及美国哈佛大学的Wolfgang Driever博士的研究组同时开始对斑马鱼进行大规模化学诱变研究（Driever W， 1996） 斑马鱼显著优势在于体积小，可在较小的空间大量繁殖；产卵量高(每周200多个)发育快，许多组织在受精后24 h开始形成；成熟周期短，体外受精且胚胎透明，可在体视解剖镜下观察它的神经中枢系统、内脏器官、血液以及视觉系统，在分子水平上85％与人相同，尤其是心血管系统，早期发育与人类极为相似，在胚胎发育过程中可以全程观察和研究其心脏发育及血液流动状态借助显微镜，甚至可看到每个心肌细胞和血液细胞与之相比，线虫和果蝇与人相距甚远，包括造血功能在内的许多人体重要生理功能以及相关的疾病基因在这些模式生物体内并不存在。

且斑马鱼单倍体、雌核发育二倍体的制作和突变体的获得均较容易，精子可以冷冻保存，所有这些特点使斑马鱼非常适合于遗传学的研究高速繁殖有利于基因筛选，早期发育与人类极为相似，这些特点使得斑马鱼成为目前研究人类疾病及动物胚胎发育的最佳模式生物特别在母体产生的因子(如蛋白质和mRNA)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、器官的形成、左右不对称发育、原始生殖细胞的起源等方面做出巨大贡献 2.4秀丽线虫 秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）在当今的生命科学研究中起着举足轻重的作用20世纪60年代，Brenner在确立了分子遗传学的中心法则以后，为探索个体及神经发育的遗传机制，而最终选择了秀丽线虫这一比果蝇更简单的生物并在1974年在Genetics上发表文章，在这篇文章中详细描述了秀丽线虫的突变体筛选、基因定位等遗传操作方法（Brenner S. 1974）为秀丽线虫作为模式生物进行个体发育的遗传研究奠定了基础自Brenner开始，四十多年来，以秀丽线虫为模式生物的研究几乎涉及到生命科学的各个领域并取得了重大突破，如MAPK信号传导、细胞程序性死亡、TGF-β信号传递途径、RNA干扰(RNAinterference,RNAi)和微RNA(microRNA,mRNA)等。

 秀丽线虫成虫长约1mm，身体为半透明，研究时不需染色，即可在显微镜下看到线虫体内的器官如肠道、生殖腺等；若使用高倍相位差显微镜，还可达到单一细胞的分辨率此外它的细胞数目以及细胞命运图谱几乎固定，并且易于追踪又因为线虫仅有一千多个体细胞，所以它的所有细胞都可以澈底地观察研究，这与人体数十兆的体细胞比起来，真是简单多了因此，线虫是研究细胞分裂、分化、死亡等的好材料它以大肠杆菌为食，易在实验室培养从一个受精卵发育成可以产卵的成虫，它只需要3d在实验室中只要有一台解剖显微镜，一只自制的铂金丝小铲，就可以进行线虫培养操作了在自然状态下，秀丽线虫绝大部分个体为雌雄同体(hermaphrodite)，其一生能产生约300个受精卵如果在一个培养皿上放上几只线虫，几天之后就可得到大量的后代自然产生的秀丽线虫群体中只有约千分之一为雄性，但在实验室里可以用热激的办法来产生雄性个体以用于遗传交配由于具有雄性和雌雄同体这两种性别特征，秀丽线虫在遗传研究上具有无可比拟的优势一方面，不同遗传背景的秀丽线虫可以像果蝇等模式动物一样进行遗传交配，进行遗传分析或获得具有多种性状的个体；另一方面，经突变或交配产生的新性状无需再经交配只需转接继代就可以保持了。

事实上，秀丽线虫可以像动物培养细胞一样储存在-80℃冰箱或液氮中，这就为大量保存各种遗传背景的秀丽线虫株系提供了极大的便利这一优势也是其他模式动物，如果蝇和小鼠等所不具备的2.5 拟南芥在生命科学的发展过程中，包括玉米、烟草、豌豆、水稻和大麦等在内的经济作物都曾被广泛用做过植物的研究模型，如孟德尔对豌豆花色的观察揭示出了遗传的分离和重组规律，麦克林托克关于玉米籽粒的研究发现了基因转位现象然而就了解植物诸如开花、根尖生长、激素作用和对外界环境信号的应答等生长和发育这些基本问题来说，这些植物仍存在种种限制，难以使研究者达成一致的兴趣大约20年前，当植物学家们开始寻找一种适于进行遗传学和分子生物学详尽研究的另一个植物模型时，拟南芥(Arabidopsis thaliana)这一具有广泛地域分布、属于芥科(Cruciferae或Brassi—caceae)的开花小草很快得到众多植物学家的认同随着20世纪80年代初期其遗传图谱的发表及其基因组相对较小被证实后，拟南芥作为模式植物的地位已基本确。