生物學常見模式生物生物學常見模式生物生物學常見模式生物V:1.0精細整理，僅供參考生物學常見模式生物日期：20xx年X月模式生物生物學家通過對選定的生物物種進行科學研究，用于揭示某種具有普遍規(guī)律的生命現(xiàn)象。此時，這種被選定的生物物種就是模式生物。比如：孟德爾在揭示生物界遺傳規(guī)律時選用豌豆作為實驗材料，而摩爾根選用果蠅作為實驗材料，在他們的研究中，豌豆和果蠅就是研究生物體遺傳規(guī)律的模式生物。由于進化的原因，許多生命活動的基本方式在地球上的各種生物物種中是保守的，這是模式生物研究策略能夠成功的基本基礎。選擇什么樣的生物作為模式生物首先依賴于研究者要解決什么科學問題，然后尋找能最有利于解決這個問題的物種。19世紀末20世紀初，人們就發(fā)現(xiàn)，如果把關注的焦點集中在相對簡單的生物上則發(fā)育現(xiàn)象的難題可以得到部分解答。因為這些生物更容易被觀察和實驗操作，因此，除了在遺傳學研究外，模式生物研究策略在發(fā)育生物學中獲得了非常廣泛的應用，一些物種被大家公認為優(yōu)良的模式生物，如線蟲、果蠅、非洲爪蟾、蠑螈、小鼠等。隨著人類基因組計劃的完成和后基因組研究時代的到來，模式生物研究策略得到了更加的重視；基因的結構和功能可以在其它合適的生物中去研究，同樣人類的生理和病理過程也可以選擇合適的生物來模擬。目前在人口與健康領域應用最廣的模式生物包括，噬菌體、大腸桿菌、釀酒酵母、秀麗隱桿線蟲、海膽、果蠅、斑馬魚、爪蟾和小鼠。在植物學研究中比較常用的有，擬南芥、水稻等。隨著生命科學研究的發(fā)展，還會有新的物種被人們用來作為模式生物。但它們會有一些基本共同點：1）有利于回答研究者關注的問題，能夠代表生物界的某一大類群；2）對人體和環(huán)境無害，容易獲得并易于在實驗室內(nèi)飼養(yǎng)和繁殖；3）世代短、子代多、遺傳背景清楚；4）容易進行實驗操作，特別是具有遺傳操作的手段和表型分析的方法。背景早在20世紀最初的20年中，甚至更早到19世紀，人們就發(fā)現(xiàn)，如果把關注的焦點集中在相對簡單的生物上則發(fā)育的現(xiàn)象難題可以得到部分解答。因為這些生物的細胞數(shù)量更少，分布相對單一，變化也較好觀察。由于進化的原因，細胞生命在發(fā)育的基本模式方面具有相當大的同一性，所以利用位于生物復雜性階梯較低級位置上的物種來研究發(fā)育共通規(guī)律是可能的。尤其是當在有不同發(fā)育特點的生物中發(fā)現(xiàn)共同形態(tài)形成和變化特征時，發(fā)育的普遍原理也就得以建立。因為對這些生物的研究具有幫助我們理解生命世界一般規(guī)律的意義，所以它們被稱為“模式生物”。模式生物學定義模式生物學就是利用模式生物來研究生物學問題的學科，由于生物進化的保守性，從一種實驗生物得到的有關基因性質(zhì)或功能方面的信息往往也適用于其他生物。因此研究人員可以利用一些技術上更容易操作的生物來研究高等生物的生物學問題。嚴格意義上來說，這不是一門獨立的學科，國外也沒有專門設置這個學科，而是把它作為一種研究手段和方法而已。最常見的模式生物有：逆轉(zhuǎn)錄病毒，大腸桿菌,酵母，秀麗線蟲，果蠅，斑馬魚，小鼠等此外模式植物包括：擬南芥，水稻等應用基因研究在人類基因組研究中十分注重模式生物的研究，這是由于要認識人體基因的功能，無法直接用人體作為實驗對象。但是，生物是從共同祖先演化而來的，所以對生命活動有重要功能的基因在進化上是保守的，也就是說，這些基因的結構和功能，在低等生物和高等生物中是相似的。因此，可以用比較容易研究的生物作為模型來研究其基因的結構和生物學功能，由此獲得的信息可以使用于其他比較難以研究的生物，特別是推測相似的人體基因的功能。影響1.生物的多樣形式在進化過程中形成的，不同的生物有不同的形態(tài)結構和生理特征，但對生命活動有重要功能的基因卻是高度保守的。因此，可從模式生物著手，先弄清楚低等生物的相對比較簡單的基因組和生理功能，再以此為基礎進一步研究人體這一復雜系統(tǒng)。比如，克隆低等生物的基因和闡明其功能后，將有助于克隆與該基因有同源序列的人體基因，并推測其可能的生理功能。2.在很多情況下不可能用人直接進行試驗。比如設法破壞某一個基因或轉(zhuǎn)入某一個基因，觀察這樣做對生物體的發(fā)育、生長、壽命和健康會產(chǎn)生什么樣的后果，這只能在實驗動物身上進行。因此也就的研究這些實驗動物的基因組。舉例果蠅模式生物——果蠅有誰會想到，一種紅眼、雙翅、羽狀觸角芒、身體分節(jié)、黃褐色的小昆蟲，在近百年間竟然能夠“培養(yǎng)”出好幾位獲得諾貝爾獎的大科學家。它就是果蠅。果蠅英文俗名fruitfly或vinegarfly，果蠅廣泛地存在于全球溫帶及熱帶氣候區(qū)，而且由于其主食為腐爛的水果，因此在人類的棲息地內(nèi)如果園，菜市場等地區(qū)內(nèi)皆可見其蹤跡。除了南北極外，至少有1000個以上的果蠅物種被發(fā)現(xiàn)，大部分的物種以腐爛的水果或植物體為食，少部分則只取用真菌，樹液或花粉為其食物。在不供給食物的情況下，果蠅可存活50小時左右，在不供給水的情況下，果蠅無法活過一天。蛹期果蠅在其正常5天生活周期下可取食其體重3~5倍之食物，雌果蠅在產(chǎn)卵期每日可取用與其體重等重之食物。果蠅成蟲的食物內(nèi)需有醣類，而蛹期果蠅則可只依賴酵母即可生育。以果蠅作為遺傳學研究的材料，利用突變株研究基因和性狀之間的關系已近一百年，至今，各種研究遺傳學的工具已達完善的地步，果蠅提供我們對今日的遺傳學的知識有其不可磨滅的貢獻；從1980年初，Drs.C.Nesslein-Volhard和E.Weichaus以果蠅作為發(fā)育生物學的模式動物，利用其完備的遺傳研究工具來探討基因是如何調(diào)控動物體胚胎的發(fā)育，也帶動了其它模式生物（線蟲、斑馬魚、小鼠和擬南芥等）的研究，且成果非常多。黑腹果蠅(Drosophilamelanogaster)是雙翅目昆蟲，生活史短，易飼養(yǎng)，繁殖快，染色體少，突變型多，個體小，是一種很好的遺傳學實驗材料，是一種模式生物?；蚪M全長kb，大約編碼13600個基因。黑腹果蠅是一種原產(chǎn)于熱帶或亞熱帶的蠅種。它和人類一樣分布于全世界，并且在人類的居室內(nèi)過冬。雌性體長2.5毫米,雄性較之還要小。雄性有深色后肢，可以此來與雌性作區(qū)別。雌蠅可以一次產(chǎn)下400個0.5毫米大小的卵，它們有絨毛膜和一層卵黃膜包被。其發(fā)育速度受環(huán)境溫度影響。在25℃環(huán)境下，22小時后幼蟲就會破殼而出,并且立刻覓食。因為母體會將它們放在腐爛的水果上或其他發(fā)酵的有機物上，所以它們的首要食物來源是使水果腐爛的微生物，如酵母和細菌，其次是含糖的水果。幼蟲24小時后就會第一次蛻皮，并且不斷生長，以到達第二幼體發(fā)育期。經(jīng)過三個幼蟲發(fā)育階段和四天的蛹期，在25℃下過一天，就會發(fā)育為成蟲。在20世紀生命科學發(fā)展的歷史長河中，果蠅扮演了十分重要的角色，是十分活躍的模型生物。遺傳學的研究、發(fā)育的基因調(diào)控的研究、各類神經(jīng)疾病的研究、帕金森氏病、老年癡呆癥、藥物成癮和酒精中毒、衰老與長壽、學習記憶與某些認知行為的研究等都有果蠅的“身影”。果蠅以發(fā)酵爛水果上的酵母為食，廣泛分布于世界各溫帶地區(qū)。果蠅具有生活周期短、容易飼養(yǎng)、繁殖力強、染色體數(shù)目少而易于觀察等特點，因而是遺傳學研究的最佳材料。早在1908年由天才的遺傳學家摩爾根把它帶上了遺傳學研究的歷史舞臺，約在此后30年的時間中，果蠅成為經(jīng)典遺傳學的“主角”。科學家不僅用果蠅證實了孟德爾定律，而且發(fā)現(xiàn)了果蠅白眼突變的性連鎖遺傳，提出了基因在染色體上直線排列以及連鎖交換定律。摩爾根1933年因此被授予諾貝爾獎。1946年，摩爾根的學生，被譽為“果蠅的突變大師”的米勒，證明X射線能使果蠅的突變率提高150倍，因而成為諾貝爾獎獲得者。在近代發(fā)育生物學研究領域中，果蠅的發(fā)生遺傳學獨領風騷。1995年，諾貝爾獎再次授予三位在果蠅研究中辛勤耕耘的科學家。果蠅為進一步闡明基因－神經(jīng)（腦）－行為之間關系的研究提供了理想的動物模型。專家認為，近一個世紀以來，果蠅遺傳學在各個層次的研究中積累了十分豐富的資料。人們對它的遺傳背景有著比其他生物更全面更深入的了解。作為經(jīng)典的模式生物，果蠅在21世紀的遺傳學研究中將發(fā)揮更加巨大而不可替代的作用。大腸桿菌模式生物——大腸桿菌大腸埃希氏菌(E.coli)通常稱為大腸桿菌，是人類和大多數(shù)溫血動物腸道中的正常茵群。但也有某些血清型的大腸桿菌可引起不同癥狀的腹瀉，根據(jù)不同的生物學特性將致病性大腸桿菌分為5類：致病性大腸桿菌(EPEC)、腸產(chǎn)毒性大腸桿菌(ETEC)、腸侵襲性大腸桿菌(EIEC)、腸出血性大腸桿菌(E．I"IEC)、腸黏附性大腸桿菌(EAEC)。大腸桿菌電子顯微鏡下圖像大腸桿菌0157：H7血清型屬腸出血性大腸桿菌，自1982年在美國首先發(fā)現(xiàn)以來，包括我國等許多國家都有報道，且日見增加。日本自80年代以來因食物污染該菌導致的數(shù)起大暴發(fā)，格外引人注目。在美國和加拿大通常分離的腸道致病菌中，截止2013年它已排在第二和第三位。大腸桿菌0157：H7引起腸出血性腹瀉，約2%～7%的病人會發(fā)展成溶血性尿毒綜合癥，兒童與老人最容易出現(xiàn)后一種情況。致病性大腸桿菌通過污染飲水、食品、娛樂水體引起疾病暴發(fā)流行，病情嚴重者，可危急生命。大腸桿菌（Escherichiacoli，E.coli）革蘭氏陰性短桿菌，大小0.5×1～3微米。周身鞭毛，能運動，無芽孢。能發(fā)酵多種糖類產(chǎn)酸、產(chǎn)氣，是人和動物腸道中的正常棲居菌，嬰兒出生后即隨哺乳進入腸道，與人終身相伴，其代謝活動能抑制腸道內(nèi)分解蛋白質(zhì)的微生物生長，減少蛋白質(zhì)分解產(chǎn)物對人體的危害，還能合成維生素B和K，以及有殺菌作用的大腸桿菌素。正常棲居條件下不致病。但若進入膽囊、膀胱等處可引起炎癥。在腸道中大量繁殖，幾占糞便干重的1/3。兼性厭氧菌。在環(huán)境衛(wèi)生不良的情況下，常隨糞便散布在周圍環(huán)境中。若在水和食品中檢出此菌，可認為是被糞便污染的指標，從而可能有腸道病原菌的存在。因此，大腸菌群數(shù)（或大腸菌值）常作為飲水和食物（或藥物）的衛(wèi)生學標準。大腸桿菌的抗原成分復雜，可分為菌體抗原（O）、鞭毛抗原（H）和表面抗原（K），后者有抗機體吞噬和抗補體的能力。根據(jù)菌體抗原的不同，可將大腸桿菌分為150多型，其中有16個血清型為致病性大腸桿菌，常引起流行性嬰兒腹泄和成人肋膜炎。大腸桿菌是研究微生物遺傳的重要材料，如局限性轉(zhuǎn)導就是1954年在大腸桿菌K12菌株中發(fā)現(xiàn)的。萊德伯格（Lederberg）采用兩株大腸桿菌的營養(yǎng)缺陷型進行實驗，奠定了研究細菌接合方法學上的基礎，以及基因工程的研究。大腸桿菌是人和許多動物腸道中最主要且數(shù)量最多的一種細菌，主要寄生在大腸內(nèi)。它侵入人體一些部位時，可引起感染，如腹膜炎、膽囊炎、膀胱炎及腹瀉等。人在感染大腸桿菌后的癥狀為胃痛、嘔吐、腹瀉和發(fā)熱。感染可能是致命性的，尤其是對孩子及老人。大腸細菌（E.coli）為埃希氏菌屬(Escherichia)代表菌。一般多不致病，為人和動物腸道中的常居菌，在一定條件下可引起腸道外感染。某些血清型菌株的致病性強，引起腹瀉，統(tǒng)稱病致病大腸桿菌。該菌對熱的抵抗力較其他腸道桿菌強，55℃經(jīng)60分鐘或60℃加熱15分鐘仍有部分細菌存活。在自然界的水中可存活數(shù)周至數(shù)月，在溫度較低的糞便中存活更久。膽鹽、煌綠等對大腸桿菌有抑制作用。對磺胺類、鏈霉素、氯霉素等敏感，但易耐藥，是由帶有R因子的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移而獲得的。斑馬魚模式生物——斑馬魚斑馬魚屬鯉科短擔尼魚屬，原產(chǎn)于南亞，是一種常見的熱帶魚。斑馬魚體型纖細，成體長3-4cm，對水質(zhì)要求不高。孵出后約3個月達到性成熟，成熟魚每隔幾天可產(chǎn)卵一次。卵子體外受精，體外發(fā)育，胚胎發(fā)育同步且速度快，胚體透明。發(fā)育溫度要求在25-31℃之間。斑馬魚由于個體小，養(yǎng)殖花費少，能大規(guī)模繁育，且具許多優(yōu)點，吸引了眾多研究者的注意。經(jīng)過30多年的研究應用和系統(tǒng)發(fā)展，已有約20個斑馬魚品系，斑馬魚基因數(shù)據(jù)庫里有相關的資料可供查詢和下載，方便了研究。斑馬魚的細胞標記技術、組織移植技術、突變技術、單倍體育種技術、轉(zhuǎn)基因技術、基因活性抑制技術等已經(jīng)成熟，且有數(shù)以千計的斑馬魚胚胎突變體，是研究胚胎發(fā)育分子機制的優(yōu)良資源，有的還可做為人類疾病模型。斑馬魚已經(jīng)成為最受重視的脊椎動物發(fā)育生物學模式之一，在其它學科上的利用也顯示很大的潛力.斑馬魚（Daniorerio,俗稱zebrafish）具有繁殖能力強、體外受精和發(fā)育、胚胎透明、性成熟周期短、個體小易養(yǎng)殖等諸多特點，特別是可以進行大規(guī)模的正向基因飽和突變與篩選。這些特點使其成為功能基因組時代生命科學研究中重要的模式脊椎動物之一。在國際上，斑馬魚模式生物的使用正逐漸拓展和深入到生命體的多種系統(tǒng)（例如，神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等）的發(fā)育、功能和疾?。ɡ?，神經(jīng)退行性疾病、遺傳性心血管疾病、糖尿病等）的研究中，并已應用于小分子化合物的大規(guī)模新藥篩選。我國開展斑馬魚相關的研究無論在規(guī)模還是在重視程度上都遠遠落后于國際形勢發(fā)展的需要。推動和發(fā)展斑馬魚模式生物在我國生命科學研究中的廣泛使用是本中心的宗旨。在國家科技部重大科學研究計劃的支持下，我們匯集優(yōu)勢，整合我國現(xiàn)有的斑馬魚主要研究力量，在未來幾年內(nèi)逐步建立全國共享的斑馬魚模式動物研究技術和資源庫，向國內(nèi)同行提供斑馬魚資源、信息和技術支撐。本著提高服務效率和質(zhì)量為原則，我們在上海和北京分別建立國家斑馬魚模式動物南方中心和北方中心。南方中心依托于中國科學院上海生命科學研究院，北方中心依托于北京大學和清華大學。兩個中心本著優(yōu)勢互補的原則，共同開發(fā)研究技術和資源，以輻射狀向國內(nèi)研究人員提供服務，積極推進我國斑馬魚相關科學研究。斑馬魚的發(fā)育譜系主要技術和資源服務內(nèi)容：模式生物1)斑馬魚基因表達分析服務：包括抽提斑馬魚基因組DNA和總RNA，核酸原位雜交探針制備和純化，全胚胎原位雜交技術，顯微注射技術，基因過表達（over-expression）和基因下調(diào)（morpholinoknockdown）技術；2)斑馬魚轉(zhuǎn)基因技術服務：包括各類斑馬魚非特異性和組織特異性啟動子的克隆，基因組BAC文庫篩選與修飾，基于Tol2轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)基因質(zhì)粒的構建，以及子一代轉(zhuǎn)基因系的篩選和保存；3)斑馬魚基因功能活體檢測服務：包括清醒斑馬魚在體共聚焦/雙光子顯微鏡成像技術和在體電生理記錄技術；4)動物行為范式分析服務：包括感覺相關的應激行為、視覺運動行為、學習記憶行為和藥物成癮行為等；5)斑馬魚基因突變技術服務：包括插入誘變和ENU化學誘變技術；6)斑馬魚轉(zhuǎn)基因資源庫和突變體資源庫服務：包括研制、收集和分發(fā)各種斑馬魚轉(zhuǎn)基因品系和突變體；7)信息服務：包括建立斑馬魚資源信息網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫和提供斑馬魚基因組生物信息學分析服務。轉(zhuǎn)基因斑馬魚的制備主要采用兩種方法：通過Tol2轉(zhuǎn)座子構建組織特異性表達報告基因的方法；利用特定基因的啟動子/增強子驅(qū)動報告基因在特定細胞組織中表達的方法。首先構建以Tol2轉(zhuǎn)座子為基礎的enhancertrap載體，報告基因選用GFP或RF