模式生物

模式生物

生命科学学院生物科学专业 0901班杨柳学号：2009044020124

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”。

我们应用的模式生物的特点有:

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。

其中常见的模式生物有:

[海胆]seaurchin是最早被使用的模式生物,主要用于早期发育生物学(受精,早期胚胎

发育).1891年,HansDriesh在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.为现代发育生

物学奠定了第一块观念里程碑。[黑腹果蝇]fruitfly,Drosophilamelanogaster主要用于遗传和发育研究其特点为:繁殖迅速,染色体巨大,易于进行基因定位.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,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.

[秀丽隐杆线虫]nematode,Caenorhaditiselegans特点:1)通身透明,长不过1mm ；2)

身体中所有细胞能被逐个盘点并各归其类，幼虫:556个体细胞,2个原始生殖细胞；成虫:

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；3)生命周期短,从生到死仅为三天半,使得不间断地观察并追踪每个细胞的演变成为可能；4)把线虫浸泡到含有核酸的溶液中可实现基因导入；[酵母]特点:1)是单细胞生物,

可在基本培养基上生长,可通过改变物理或化学环境完全控制其生长2)在单倍体和二倍体

的状态下均可生长,并可在实验条件下控制单倍体和二倍体之间的相互转换,这对其基因功

能的研究十分有利3)有将近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]zebrafish和[非洲爪蟾]southAfricanclawedtoad是目前最常用的两

种模式低等脊椎动物。斑马鱼特点:1)产卵多,繁殖迅速2)胚胎通体透明,是进行胚胎发育机理和基因组研究的好材料。非洲爪蟾特点:1)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有重要作用。

[小鼠]mouse，17世纪开始用于解剖学和动物实验,经长期人工饲养选择培育,已育成千余个独立的远交群和近交系,是生物医学研究中广泛使用的模式生物,是当今世界上研究最

详尽的哺乳类实验动物.1999年,美英几家大型科研机构成立了老鼠基因组测序的合作团

体,2002年8月公布了老鼠基因组物理图谱的框架,完整的老鼠基因组图谱预计于2005年完成。

我这里说的仅限于分子生物学研究，一般的分子生物学研究都是用模式生物的，我想说说怎样选择一个合适的模式生物，根据我查的资料，第一是要很清楚要研究什么问题，这个很重要。第二才是选择模式生物。我个人认为选择模式应当有两条原则，第一条是选择的模

式生物必须可以用来研究想要研究的问题，第二是如果有多个模式生物符合第一条，那么尽量先选择最简单的一种。下面具几个例子。上世纪八十年代初的时候，一些人开始研究细胞周期的调控。细胞周期调控一般来说指的是有丝分裂的调控，所以只能选择真核生物，大肠杆菌就不行了。所有的真核生物都要进行有丝分裂，理论上选那个来研究都可以，这个时候就要选择最简单的，也就是单细胞的。实际上当年研究细胞周其主要用了三种常见模式生物：酵母，海胆和爪蟾。其中海胆和爪蟾用的都是卵，也都是单细胞的，简单。用酵母是因为酵母遗传学很发达。用海胆是因为可以得到许多细胞周期同步的卵，便于用生化方法研究。用爪蟾的卵是因为它比较大，便于进行显微注射检测体内活性。细胞周期是2001年的Nobel

生理医学奖，我认为是分子生物学历史上很经典的例子，过一阵子有空我会把故事详细写下来。再说另一个例子，就是细胞凋亡的研究。只有多细胞生物才会进行凋亡，单细胞生物是不会的。（最近由文章指出单细胞生物也有凋亡，不过还存争议）那么单细胞生物就不能用来研究凋亡，理论上任何多细胞生物都可以。事实上细胞凋亡的研究使用的正是最简单的多细胞模式生物：线虫。这个是2002年的Nobel生理医学奖。再说如果要研究骨骼发育，那么必须要用脊椎动物，无脊椎动物是无法来研究的。最简单的脊椎动物模式生物是斑马鱼，所以这是个很好的模型。由于很多分子机理从酵母到人都是类似的，所以在低等生物里的研究成果可以比较容易的推广到哺乳动物。不过即使细胞周期这样的很基本的过程也有很多人再用小鼠或人做模型来研究，这个是因为虽然细胞周期的调控在人里和在酵母里很相似，毕竟还是有不同的，用小鼠研究细胞周期是为了了解哺乳动物细胞周期的调控，要研究的问题不一样了。

在各种模式生物中, 酵母是最早被认识、研究得最深入的真核生物之一, 也是分子生物学研究的常用模式物种。其中, 酿酒酵母和裂殖酵母已经完成全基因组测序、转录组分析、蛋白相互作用网络图, 被广泛用于表观遗传研究。酵母作为模式生物在研究基因组稳定性方面具有许多优势: (1) 酵母在单倍体和二倍体的状态下均能生长, 并能在实验条

件下相互转换, 对其基因功能的研究十分有利; (2)酵母的生命周期短, 基因组小, 易操作, 适合经典的遗传学分析; (3) 酵母与一些复杂的生命形式具有很多相同的生命行为, 特别

在细胞周期调控、减数分裂和DNA 修复方面与人类基因具有高度同源性。更重要的是, 目前已发展了一些非常有效的技术使得酵母基因组中的任何一个基因均能被突变的等位基因取

代甚至完全缺失。因此, 酵母作为一种模式生物已广泛应用于表观遗传学研究。近几年来以酵母为模式生物研究DNA 损伤修复过程和异染色质形成机制已经取得了长足的进展,揭示了基本的生命现象, 为表观遗传学研究生物体维持基因组稳定性机制提供了良好的启示和理

论基础。这些已报道的研究主要集中于组蛋白修饰领域,涉及到两大方面: 一是建立一个稳定的染色质环境,通过修饰划分常染色质和异染色质的不同区域; 二是统筹与DNA 相关的生物功能, 包括基因的表达调控、DNA 损伤修复、染色质浓缩等过程。近期利用裂殖酵母作为模式生物研究RNAi 指导的组蛋白修饰也有了一定的进展。最新的研究发现, 非编码RNA 不仅参与染色质结构改变, 还能够指导与基因表达调控相关的DNA 甲基化和组蛋白修饰[14], 在表观遗传机制中可能占主导的地位。其中, 由siRNA介导的RNA 干扰(RNAi)途径在裂殖酵母细胞周期调控和异染色质形成机制领域研究最为广泛。通常,RNAi 需要由特殊的蛋白介导, 与高等真核生物不同, 这些蛋白基因在裂殖酵母中只含有单拷贝, 这使得裂殖酵母成为研

究RNAi 非常理想的模式生物。可见, 对非编码RNA 的研究将成为今后以酵母为模式生物研究表观遗传学的热点。另外, 与高等动植物相比, 大多数真菌基因组DNA 中胞嘧啶甲基化程度很低或不存在甲基化。例如, 在酿酒酵母中胞嘧啶甲基化程度几乎为零[15], 而裂殖酵母胞嘧啶甲基化程度也小于0.1%。因此, DNA 甲基化对于大多数酵母菌可能是非必须的。本文以酵母为模式生物, 着重论述了表观遗传修饰在DNA 损伤修复和异染色质形成方面的研究

进展、作用机制和今后的发展趋势。

在此主要根据我所感兴趣的酵母为模式生物进行的几项研究。首先是，基因组的遗传稳定性是维持正常的细胞复制、增殖和分化的关键。外源因素和内源因素造成的DNA 损伤及其修复失败, 是各种遗传疾病发生的根本原因。表观遗传调控(包括DNA 甲基化、组蛋白修饰和

非编码RNA)在DNA 损伤修复和细胞周期调控方面发挥着重要的作用, 也是维持基因组稳定

性的基础。酵母作为单细胞真核生物, 是最早开展表观遗传学研究的物种之一, 特别是在DNA 损伤修复和异染色质形成等方面的研究,为揭示遗传稳定性的本质提供了理论依据。国际上前期以酵母为模式生物研究表观遗传学的报道主要集中于组蛋白修饰领域; 近期利用

裂殖酵母作为模式生物研究RNAi 指导的组蛋白修饰也有了一定的进展。

基因组遗传稳定性的基因调控网络。因此, 许多问题相继被提了出来, 比如: “基因组

如何统筹细胞发育分化中基因表达上的变化”, “DNA 损伤后是由何种途径完成修复的”、“除了基因组DNA 之外还有哪些生物学信号参与了细胞周期调控来维持全细胞染色质结构

的稳定”表观遗传变异是指在基因的DNA 序列没有发生改变的情况下, 基因功能或表达发

生了可遗传的变化[3]。表观遗传调控在基因表达调控、DNA 损伤修复和异染色质形成方面

发挥着重要的作用, 是维持基因组稳定性的基础; 通过表观遗传学来解释基因组的不稳定

现象, 寻找癌症、肿瘤的新标记检测物和治疗手段是目前国际上主要的研究方向之一。已有的研究表明, 表观遗传机制主要涉及３个方面:DNA 甲基化、组蛋白修饰和非编码

RNA(Non-codingRNA)调控。DNA 甲基化作为目前研究得最为深入的表观遗传机制, 是基因组DNA 的主要表观遗传修饰形式之一, 在胚胎形成、肿瘤发生、X 染色体失活和细胞周期调控中发挥重要的作用。很多基因启动子区域的超甲基化会导致基因表达沉默, 比如肿瘤抑制基因、组织重构基因、DNA 损伤修复基因、细胞周期调控基因和抗凋亡基因等。因此, DNA 甲

基化与去甲基化的动态平衡在维持基因组稳定性上具有重大的生物学意义, 使超甲基化的

肿瘤基因去甲基化可能成为肿瘤基因治疗的新手段。第二种表观遗传机制是组蛋白修饰。组蛋白可以通过乙酰化(Acetylation)、甲基化(Methylation)、磷酸化 (Phosphorylation)、泛素化(Ubiquitination)修饰及不同的排列组合构成组蛋白密码(Histone code)来影响生

物学行为[4]。目前发现的组蛋白修饰主要位点已有60 多个, 越来越多的研究表明, 在肿

瘤等疾病发生过程中, 组蛋白修饰发生了不同程度的变异, 提示组蛋白表观遗传修饰与人

类疾病相关。第三种在表观遗传上起重要作用的是功能性非编码RNA。非编码RNA(包括miRNA、siRNA 等)在基因簇以至于整个染色体水平发挥顺式调节作用, 介导mRNA 降解, 诱导染色

质结构的改变, 决定细胞的分化命运, 还对外源的核酸有降解作用以保护本身的基因[5]。

通过对四膜虫、果蝇、酵母和小鼠等模式生物的研究, 已经揭示了许多基本的表观遗传现象和机制。比如: 在四膜虫中最先发现了组蛋白乙酰转移酶, 发现了组蛋白甲基化在RNAi 介导的IES 删除过程中起着重要作用, 使得H3K27 甲基化作用模型得以建立; 在果蝇中已经成功建立了异染色质形成与组蛋白修饰、细胞周期调控和RNAi 之间的调控模型; 在裂殖酵母中最先发现了组蛋白去甲基化酶, 使用酿酒酵母为模型对端粒和端粒酶的表观遗传研究

表明酵母端粒RNA 能够参与调控端粒的结构和由端粒酶介导的端粒延长的过程, 为哺乳动

物提供了良好的启示; 使用小鼠为模式生物建立了表观遗传修饰与癌症发生发展之间的诸

多调控模型。

国际上前期在酵母组蛋白修饰方面的研究主要集中在新的组蛋白密码的发现, 以及编码

这种密码的酶(即组蛋白密码的writer)的研究, 而对于多种密码之间的相互关系以及识别

各种密码的复合体(即reader)却鲜有报道。例如在组蛋白修饰对于DNA 损伤修复的研究中,

H4 乙酰化修饰后是由什么样的蛋白识别并将信号往下游传递的, 仍然是一个未知的过程。因此, 今后以酵母为模式生物研究组蛋白密码将从组蛋白密码的“writer”的研究逐步转向组蛋白密码新的“reader”的研究。值得关注的是, 对于非编码RNA 的研究正在不断地拓宽人类对各种生命现象的认识。诸多研究已经证明非编码RNA 在异染色质形成、基因表达调控和DNA 损伤修复方面有重要的作用。例如最新的研究表明, RNA 在酵母中可以作为DNA 损伤修复的模板[59]。作者同时指出RNA 分子能够直接传递基因组信息到染色体DNA 上来维持基因组稳定性。这一在酵母中发现的DNA损伤修复的新机制揭开了RNA研究的新领域。另外, 研究发现温度对RNAi 有一定的影响, RNAi受到高温的抑制[60]。在高温和低温的情况下, RNAi 引起的沉默现象也不同。这一现象可能也可以解释动植物中一些与温度相关的遗传现象,比如植物生长过程中春化现象等等。然而, 这方面的研究毕竟还刚起步, 许多细节无法正确合理地阐述, 有待于更加深入的探索。因此, 在未来, 表观遗传研究可能逐渐从组蛋白修饰领域转向非编码RNA领域。

同时酵母还有作为研究细胞程序性死亡的模式生物的研究价值，胞凋亡是受到严格调控的细胞自杀过程，凋亡机制从酵母到动物细胞高度保守．酵母细胞的凋亡过程虽发现较晚，但研究进展迅速．多个证据表明，酵母确实能发生细胞凋亡且细胞凋亡机制具有较高的保守性．酵母已成功用于发现新的细胞凋亡因子．近来，酵母还用作亨丁顿舞蹈症、帕金森氏病等凋亡相关疾病的细胞模型，为治愈这些疾病提供思路和指导．综述了酵母作为凋亡研究模式生物的可行性和独特的优势，其应用前景、存在的瓶颈问题及可能的解决方案．利用酵母为模式生物研究细胞凋亡和疾病发生，将大大加快发现新凋亡因子的过程，同时酵母作为凋亡相关疾病模式生物具有广阔的发展空间。细胞凋亡：(apoptosis)是指细胞为维持内环境稳定而主动有序的死亡．细胞凋亡过程与周期调控、衰老等生理过程密切相关．人类细胞凋亡紊乱可导致癌症、获得性免疫功能缺陷综合征(AIDS)、早衰、自体免疫(autoimmune)、神经退行性病变(neurodegenerative disorders)甚至肌肉萎缩等疾病f1L因此细胞凋亡研究一直是生命科学的前沿和热点．长时间以来，细胞凋亡研究一直以动物细胞作为模式，取得了很多成果．但由于动物细胞代谢通路复杂且具有种属和时空特异性，给研究带来了困难．而酵母作为低等真核细胞，能很好地简化研究过程．酵母(yeast)是单细胞子囊菌和担子菌的总称，包含多种亲缘关系相对较远的真菌．根据繁殖方式不同可分为芽殖酵母(如酿酒Saccharomycescerevisiae)和裂殖酵母(如粟酒裂殖酵母Schizosaccharomyces pombe)．自从酵母细胞凋亡现象被发现以来一直是学术热点问题．目前对于酵母细胞凋亡的诱因、核心分子、传导通路等已经有了较深入的了解，酵母作为凋亡模式生物的条件已初步成熟．此外，由于细胞凋亡与多种疾病密切相关，研究者成功建立了疾病的酵母模型，并取得初步进展。

酵母模式的独特优势酵母是被认识最深入的真核生物，也是分子生物学研究的常用模式物种．其中最早完成基因组测序的酿酒酵母基因组小，适于基因组水平进行分子操作．目前已经可以获得单基因敲除突变体库．而栗酒裂殖酵母也已完成全基因组测序，是细胞周期研究常用的模式物种．在蛋白质水平上，酵母双杂交(2．hybrid)，合成致死(synthetic lethality，SL)，TAP标签(TAP．tag)等技术均可用于研究蛋白质相互作用[30'1．此外，酵母同源重组率高，能将外源基因准确插入基因组的指定位置，也为分子生物学操作带来了便利．在遗传学性质上，野生型酿酒酵母是同宗配合双倍体(homothallic diploid)，而绝大部分实验室菌株均能形成稳定的单倍体或异宗配合双倍体(heterothallic diploid)，这对研究非常有利．因为隐性表型在单倍体中很容易被检测出来，而异源双倍体能够隐藏致死突变[31．此外，酿酒酵母是一种兼性厌氧菌，能够在完全没有线粒体DNA的情况下存活(菌株曲，而绝大多数高等生物都是需氧生物，其细胞不能在线粒体完全丧失功能的情况下生存．由

于线粒体在细胞凋亡中起到了非常核心的作用，因此酵母po菌株对细胞凋亡研究非常有利．此外，不同的酵母物种差别很大，如酿酒酵母和粟酒裂殖酵母虽同属于子囊菌，但在进化上距离较远．至少10亿年前已在进化中分离，而随后不久真菌就与动物发生了分薄朔．不同酵母之间的区别使酵母作为模式生物更有代表性．正是由于这些独特的优势，酵母，尤其是酿酒酵母和裂殖酵母能够成为研究细胞凋亡的模式生物。

酵母细胞凋亡现象发现至今仅有10年时间，而最近科学界才开始接受并使用酵母作为模式生物．目前酵母模型还存在一些瓶颈问题，在酵母细胞中尚未发现死亡受体和配体(death receptors／ligands)通路，而该通路是动物细胞凋亡三大核心信号通路之一唧．此外，仍有部分动物细胞凋亡关键因子没有在酵母基因组中找到同源物，如Bcl．2，

p53等．对于上述缺失有两种解释．其一，酵母细胞中存在这些因子，只是由于检索方法或实验技术的限制目前暂时没有找到．这种情况已有先例，如metacaspase的发现．最初人们认为caspase是动物细胞凋亡特有的执行因子，植物和真菌中没有caspase的同源物．2000

年Uren等1531使用高级模式的序列同源检索法PSI．BLAST找到了caspase在真菌中的垂直同源物metacaspases／Ycalp，成为酵母细胞凋亡领域的革命性突破．当然也有可能这些凋亡分子机器和信号通路出现在酵母和动物进化分离之后．毕竟酵母是比较低等的单细胞真核生物，缺少细胞间的相互联络以及细胞和组织之间的相互作用．果真如此，我们还需要研究某种进化上介于动物和酵母之间的物种作为补充，比如丝状真菌或某些低等植物．丝状真菌(filamentous fungi)是以菌丝形态生长的真核微生物总称，丝状真菌与酵母同属于真菌，进化上比较接近．但前者属于多细胞真核生物，有了简单的细胞分化，比后者高等．目前丝状真菌细胞凋亡研究也有了很多成果，作者也在丝状真菌细胞凋亡领域进行了一些研究工作，包括诱导瑞氏木霉细胞凋亡并检测凋亡特征，研究凋亡关键因子及信号通路。

酵母作为细胞凋亡模式生物还有很大空间．酵母可用于解释不同凋亡途径间的复杂层次以及凋亡执行过程中尚未揭示的下游事件，如染色质修饰、凝缩与细胞死亡三者之间的关系等．酵母也可用于揭示细胞周期与凋亡之间的平衡与联系．此外，动物细胞凋亡相关的死亡形式自嗜(autophage)对于抑制细胞癌变非常重要．因此随着酵母中发现自嗜基因，酵母对于研究自嗜与凋亡通路之间的关系也当有所贡献．我们有理由相信，细胞凋亡的酵母模型将在未来lO年内取得更丰硕的成果．

酵母作为一种我们常用的模式生物应用前景是光明的，其在研究细胞的遗传，细胞程序性死亡方面有很大的应用价值，同时还克服了我们对于真核细胞研究的障碍，为我们的研究提供了较好的模式样板，使我们实验室研究中“好帮手”，经过写论文，找资料我也从中了解到了许多关于酵母的很多特点，真是受益匪浅，也让我对酵母这个看似渺小实则浩瀚的生物充满了好奇，真实生活中我们了解酵母只是很浅显的停留的它本身的一些特性，但是从未想过它在对我们研究生物生命现象中充当很重要的角色，生物学的发展离不开模式生物，而模式生物之中，最简单的真核生物就是两种酵母——芽殖酵母和裂殖酵母。现在，人们已经得到了两种酵母的全基因组敲除库，每一个酵母的非必需基因都已经被敲除，从而大大方便了新基因的研究。而对于必需基因，大规模的敏感株筛选也已经展开，相信不久也可以得到全部的突变株。因为酵母的很多基因是跟人类的疾病息息相关的，尤其是癌症（虽然酵母不会得癌症，它只会一死了之），所以必将大大推动人类的疾病和其它科学研究。所以当你再吃面包的时候，你应该感谢一下那些为了产生这个面包而费尽精力的酵母们。希望在未来在此研究领域有更多美好的进展，当然这就需要我们这一代人的努力了。