发育生物学研究中的模式动物——综述

发育生物学研究中的模式动物

摘要：模式生物在生命科学研究中有重要的作用，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。本文着重介绍了海胆、果蝇两种经典模式生物的研究历史、研究优势及发展等，进而简要阐述了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．

关键词：模式生物；发育生物学；海胆；果蝇

引言：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[1]。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”。

模式生物[2]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[3]，如线虫、果蝇、非洲爪蟾、蝾螈、小鼠、斑马鱼、噬菌体、大肠杆菌、酿酒酵母、海胆等。它们在人口与健康领域应用范围比较广。而在植物学研究中比较常用的有，拟南芥、水稻、烟草等。

1.经典模式生物概况： 1.1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，1890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。1891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。

1.2果蝇

黑腹果蝇[4]（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。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.模式生物对于发育生物学的意义：

模式生物的研究是人类基因组计划的一个重要组成部分, 是人类基因组计划的必要的补充, 这对人类基因组计划的研究有很大的促进作用。由于人类对其自身理解的限制、实验的限制和伦理学的制约, 医学、生物学的研究在很大程度上依赖于对一些模式生物的研究, 在研究人类基因组的同时, 平行地进行一些如微生物、植物、动物等模式生物的研究, 可为人类基因组的研究作方法学和组织工作方面的准备。将从模式生物中得到的数据和资料与人类基因组比较, 通过不同生物基因序列的同源性来阐明人类相应基因的功能; 通过研究小而简单的模式生物的基因组, 积累实验发展模式, 同时对模式生物的研究亦有经济价值, 一些与人类基因有相似性, 但结构和基因组成却相对比较简单的生物体就成为进行人类基因组研究的好样本。

模式生物的研究在人类疾病（特别是遗传性疾病）的预防、诊断、治疗以及新药开发等方面也有很广泛的应用前景。如：把某些病原体的抗原或毒素基因转入普通的食物或水果中, 以吃这些水果代替传统的疫苗来达到预防疾病的目的。

3.小结

通过上面的介绍我们看到，模式生物已经在现代生命科学基础研究中具有举足轻重的地位。尤其是在最近几年，这些模式生物的基因组测序相继完成，在这些基因组信息的基础上，以这模式生物为研究对象的重大科学发现层出不穷。随着人类全基因组测序工作的完成，对人的研究也已经进入了“后基因组时代”，在后基因组时代，对这些处于生物演化不同阶段的模式生物体的研究是认识人类基因结构与功能所不可缺少的。

随着越来越多的研究者的加入，也随着发育生物学的飞速发展，以及越来越多物种的基因组被测序，许多生物都有可能成为很好的模式生物。经典模式生物的数据库不断的完善将会加快对发育生物学的研究进展。有关模式生物的研究必将继续为人类探索生命规律的调控机制做出更大贡献。

参考文献

[1] 郭炳冉,发育生物学模式生物，2008年，生物学教学，（第33卷）第九期；

[2] 张红卫，发育生物学（第2版），2010年6月，高等教育出版社； [3]王凯，生命科学研究中常用模式生物，生命科学研究，2010年4月，第14卷第2期；

[4] 万永奇, 谢 维，生命科学与人类疾病研究的重要模型——果蝇，2006 年10 月第18 卷第 5 期，生命科学；