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7個多細胞生物作為生物技術研究模型的例子

幾(ji)乎(hu)所有生(sheng)(sheng)物技術的進(jin)步都是因為這些多細(xi)胞生(sheng)(sheng)物而成為可能的,這些多細(xi)胞生(sheng)(sheng)物也被稱(cheng)為模式生(sheng)(sheng)物或(huo)只是“模型”。這些是用于研究各種(zhong)生(sheng)(sheng)物現(xian)象(xiang),尤(you)其是研究各種(zhong)人類(lei)疾病的非人類(lei)物種(zhong)。

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什么是模型生物?

模式生物的特征

例子

什么是模型生物?

研(yan)究模(mo)式生(sheng)物以了解人(ren)類(lei)(lei)的各種(zhong)生(sheng)物過程。由于倫理問題(ti),人(ren)類(lei)(lei)不能被用作模(mo)式生(sheng)物。所有(you)生(sheng)物的共同血統使(shi)研(yan)究人(ren)類(lei)(lei)的代謝和(he)發育途(tu)徑(jing)成為可能。

模型生物

模式生物的特征

作為(wei)研究模型,生物(wu)體必(bi)須(xu)具有(you)以下特征:

  • 它應該體積小,在實驗室(shi)條(tiao)件下易于管(guan)理。

  • 模式(shi)生物應該具有大量繁殖的(de)能力。

  • 模式(shi)生(sheng)物的較短世(shi)(shi)(shi)代(dai)時(shi)間(jian)(jian)有助(zhu)于研究(jiu)人員同時(shi)研究(jiu)不同世(shi)(shi)(shi)代(dai)。世(shi)(shi)(shi)代(dai)時(shi)間(jian)(jian)是(shi)個體出生(sheng)到其后(hou)代(dai)出生(sheng)之(zhi)間(jian)(jian)的時(shi)間(jian)(jian)段(duan)(duan);換句(ju)話說,我們可以說世(shi)(shi)(shi)代(dai)時(shi)間(jian)(jian)是(shi)兩個連續世(shi)(shi)(shi)代(dai)之(zhi)間(jian)(jian)的時(shi)間(jian)(jian)段(duan)(duan)。

  • 模式生物和人(ren)類(lei)之間某些基因(yin)的相似性有(you)助于找出與該特定基因(yin)相關(guan)的特征或疾病(bing)。

  • 生命周(zhou)期短的有機體是首選,它們的生長/營養需求(qiu)應該最低。

  • 模式生物必(bi)須(xu)對(dui)其全(quan)基因組進行測序,并(bing)且對(dui)人類無害。

例子

一些用作(zuo)研(yan)究模型(xing)的多細胞生物的例子有:

  • 果蠅(黑腹果蠅)

  • 線(xian)蟲(秀(xiu)麗隱(yin)桿線(xian)蟲)

  • 西(xi)部(bu)爪蛙(非(fei)洲爪蟾)

  • 老鼠(Mus musculus)

  • 斑馬魚(斑馬魚)

  • 豚鼠 (Cavia porcellus)

1. 黑腹果蠅(果蠅)

你一定見過小(xiao)蒼蠅(ying)坐在(zai)腐爛的(de)水果(guo)(guo)和(he)蔬菜上;這(zhe)些蒼蠅(ying)被稱為黑腹果(guo)(guo)蠅(ying)(果(guo)(guo)蠅(ying))。這(zhe)些果(guo)(guo)蠅(ying)現在(zai)已成為研究(jiu)遺傳學的(de)流(liu)行無脊(ji)椎動物模型。許多(duo)對果(guo)(guo)蠅(ying)的(de)研究(jiu)表明,遺傳物質(zhi)存(cun)在(zai)于染色體中。

為什么黑腹(fu)果(guo)蠅(ying)成為理(li)想的模式生物?

  • 它的生命周期很短,生成時(shi)間為 12 天。

  • 它們的(de)小尺寸(cun)和最小的(de)生(sheng)長要求使科學家能夠在小型實驗室中(zhong)輕(qing)松培養它們。

  • 在其一(yi)生(sheng)中,雌性(xing)果蠅每天可以產下多達(da) 50 個卵。

  • 它們具有含(han)有碳水化合(he)物和(he)蛋白質(zhi)(酵母提取物)的飲食的最低營養需求。

  • 他(ta)們(men)的(de)整(zheng)個基(ji)因(yin)組已經被測序,他(ta)們(men)只(zhi)有4對染(ran)色(se)體。基(ji)因(yin)可以很(hen)容(rong)易(yi)地被操縱,這使(shi)科學(xue)家能夠了解特定基(ji)因(yin)的(de)作用;這使(shi)它們(men)成為研究遺(yi)傳學(xue)的(de)完美模(mo)型。

  • 果蠅(ying)和人類之間大約有 60% 的基因(yin)相似性。許多常見(jian)基因(yin)與癌癥和其他遺傳疾(ji)病有關。

2. 秀麗隱桿線蟲(線蟲)

秀(xiu)麗隱(yin)桿線蟲(chong)是(shi)一種長約(yue)1毫米的(de)透明(ming)體的(de)線蟲(chong)。它(ta)(ta)有一個不分節(jie)的(de)圓柱形(xing)身體,有一個假結腸(pseudocoloem),它(ta)(ta)缺乏呼(hu)吸和循(xun)環系統。秀(xiu)麗隱(yin)桿線蟲(chong)是(shi)第一個在 1980 年底(di)完成全基因組圖譜的(de)多細(xi)胞生物。秀(xiu)麗隱(yin)桿線蟲(chong)有兩種性(xing)別:雄性(xing) (XO) 和雌雄同體 (XX)。這些雌雄同體的(de)蠕蟲(chong)具(ju)有雄性(xing)和雌性(xing)性(xing)器官(卵睪)。受精(jing)發生在內部。

為(wei)什(shen)么秀麗隱桿線(xian)蟲(chong)被認(ren)為(wei)是一種(zhong)很好(hao)的模式生物?

  • 它有(you)一(yi)個透(tou)明的身體,使(shi)研究人(ren)員能夠(gou)密切(qie)監測(ce)不同發展(zhan)階段發生的變化。

  • C. elegans,就像(xiang)人類一樣,對他們喜歡(huan)和(he)不喜歡(huan)的(de)(de)事(shi)物做出(chu)反應。這使其成為人類行為研究的(de)(de)完美模(mo)型(xing)。

  • 2-3 周的(de)短生命周期(qi)有助于(yu)在短時間(jian)內監測發育階段(duan)。

  • C. elegans有兩種性(xing)別;XO雄性(xing)和XX雌(ci)(ci)性(xing)雌(ci)(ci)雄同(tong)體(ti)。這些雌(ci)(ci)雄同(tong)體(ti)的雌(ci)(ci)性(xing)能夠自(zi)我受(shou)(shou)精(jing),并(bing)能產(chan)生數百個后代(dai)。這種自(zi)我受(shou)(shou)精(jing)的能力有助(zhu)于(yu)將(jiang)其用作(zuo)模式生物,因為它可以(yi)自(zi)我受(shou)(shou)精(jing)并(bing)產(chan)生大量后代(dai),并(bing)且不依賴(lai)雄性(xing)受(shou)(shou)精(jing)。

  • 秀麗隱桿(gan)(gan)線蟲(chong)體(ti)型非常小,營養需求最(zui)低。它們以(yi)細菌為食,因此可以(yi)通過使它們以(yi)大腸桿(gan)(gan)菌等(deng)細菌為食,在(zai)實驗室中輕松生長(chang)。

  • C. elegans 可以在 80°C 的冷凍(dong)狀態下儲存(cun),然后在需要時解凍(dong)以進(jin)行進(jin)一步(bu)研(yan)究。

  • 它們在(zai)神經系(xi)統疾(ji)病(bing)(bing)和(he)心臟和(he)腎臟疾(ji)病(bing)(bing)等研究中充當潛在(zai)的模(mo)型生(sheng)物。

  • 在有(you)利的條件下,它們每天可以生(sheng)產 1,000 多個雞蛋。

使用秀麗隱桿(gan)線蟲作為模(mo)式生物進行的研究示例

  • 與年齡相關(guan)的(de)(de)(de)(de)神(shen)(shen)經(jing)系(xi)統疾病,如帕(pa)金森(sen)病,是由于 α-突(tu)(tu)觸(chu)核(he)(he)蛋白以路易體形式的(de)(de)(de)(de)積累而(er)導(dao)(dao)(dao)致(zhi)(zhi)多巴胺能神(shen)(shen)經(jing)元(yuan)的(de)(de)(de)(de)損失。α-突(tu)(tu)觸(chu)核(he)(he)蛋白是一(yi)種有助于神(shen)(shen)經(jing)傳遞的(de)(de)(de)(de)神(shen)(shen)經(jing)元(yuan)蛋白,存在(zai)于大腦、肌肉和其(qi)他組(zu)織中(zhong)。在(zai) PD 中(zhong),α 突(tu)(tu)觸(chu)核(he)(he)蛋白的(de)(de)(de)(de)錯誤折疊會(hui)導(dao)(dao)(dao)致(zhi)(zhi)團塊的(de)(de)(de)(de)形成,最(zui)終損害腦細(xi)胞。秀(xiu)麗(li)隱桿(gan)線(xian)蟲的(de)(de)(de)(de)基因組(zu)沒有 α-突(tu)(tu)觸(chu)核(he)(he)蛋白的(de)(de)(de)(de)直系(xi)同源(yuan)物;因此(ci),線(xian)蟲可以用(yong)作模型生物來研(yan)究 α-突(tu)(tu)觸(chu)核(he)(he)蛋白變體在(zai)秀(xiu)麗(li)隱桿(gan)線(xian)蟲中(zhong)過表達的(de)(de)(de)(de)影響。最(zui)初,人們認為 α-突(tu)(tu)觸(chu)核(he)(he)蛋白以路易體的(de)(de)(de)(de)形式積累會(hui)導(dao)(dao)(dao)致(zhi)(zhi)神(shen)(shen)經(jing)元(yuan)損傷。然(ran)而(er),一(yi)項關(guan)于秀(xiu)麗(li)隱桿(gan)線(xian)蟲的(de)(de)(de)(de)研(yan)究表明,可溶性(xing)寡聚(ju)體誘(you)導(dao)(dao)(dao)神(shen)(shen)經(jing)毒性(xing),而(er)不是 α-突(tu)(tu)觸(chu)核(he)(he)蛋白的(de)(de)(de)(de)不溶性(xing)聚(ju)集體。

  • 線(xian)(xian)粒(li)體,也被稱為(wei)細胞(bao)的發(fa)電(dian)站,以 ATP 分(fen)子(zi)的形式產(chan)生能量。線(xian)(xian)粒(li)體功(gong)能障礙會(hui)導(dao)致許多(duo)嚴重的疾病(bing),如 Leigh 綜合征、代(dai)謝紊亂和線(xian)(xian)粒(li)體肌(ji)病(bing)。線(xian)(xian)蟲有(you)許多(duo)導(dao)致人類線(xian)(xian)粒(li)體疾病(bing)的直系同源基因。研究發(fa)現,在秀麗隱(yin)桿線(xian)(xian)蟲中抑(yi)制這些基因會(hui)導(dao)致許多(duo)發(fa)育缺陷。

  • 用 S. typhimurium 感染 C. elegans 表明 p38MAPK 信號傳(chuan)導參與了針對(dui)細菌的先天免疫反(fan)應。

3. 老鼠(Mus musculus)

在實(shi)(shi)驗室(shi)中用于研究(jiu)目的(de)的(de)小(xiao)鼠(shu)稱(cheng)為實(shi)(shi)驗室(shi)大(da)(da)鼠(shu)或實(shi)(shi)驗室(shi)大(da)(da)鼠(shu)。實(shi)(shi)驗室(shi)大(da)(da)鼠(shu)是 Mus musculus 的(de) 3 個(ge)亞種的(de)雜交體(ti):Mus musculus domesticus、Mus musculus musculus 和 Mus musculus casteaneous。這(zhe)些(xie)實(shi)(shi)驗室(shi)大(da)(da)鼠(shu)有白色(se)(se)(白化小(xiao)鼠(shu))或黑色(se)(se)皮毛(mao),而野生小(xiao)鼠(shu)有棕色(se)(se)皮毛(mao)。與野生小(xiao)鼠(shu)相(xiang)比,實(shi)(shi)驗室(shi)大(da)(da)鼠(shu)的(de)攻擊性更小(xiao),體(ti)重也更輕。

使(shi)用(yong)小鼠作為(wei)模式生物的優勢

  • 它(ta)的(de)(de)整個基因(yin)組已被(bei)(bei)測序,由于與(yu)人類基因(yin)組有 85% 的(de)(de)相似性,M. musculus(小(xiao)鼠)通常被(bei)(bei)認為是(shi)完美的(de)(de)模式生(sheng)物。

  • 已經對(dui)小鼠進行(xing)了許多(duo)研究(jiu),例如神經退行(xing)性疾(ji)病(bing)、癌癥研究(jiu)、衰老(lao)等。

  • 它們的妊娠(shen)期(qi)很短,大(da)約 3 周,一次可以(yi)產(chan)下 3 到(dao) 10 個后代。

轉(zhuan)基(ji)因小鼠(shu)或轉(zhuan)基(ji)因小鼠(shu)

研究人(ren)員可(ke)以(yi)在(zai)發(fa)育(yu)過(guo)程(cheng)的某些(xie)階(jie)段突變或改變小鼠的某些(xie)基(ji)(ji)(ji)因(yin)。這有助于得(de)出關于特定基(ji)(ji)(ji)因(yin)功能的結論;這些(xie)老(lao)鼠被稱為(wei)轉基(ji)(ji)(ji)因(yin)老(lao)鼠或轉基(ji)(ji)(ji)因(yin)老(lao)鼠。

什么是裸鼠?

裸鼠(shu)是(shi)(shi)沒有(you)胸腺的(de)轉基(ji)(ji)因(yin)(yin)或轉基(ji)(ji)因(yin)(yin)品(pin)系。我們(men)知道胸腺負責(ze) T 細胞(bao)的(de)產生和成熟(shu),這(zhe)是(shi)(shi)細胞(bao)介導(dao)免(mian)疫的(de)重要組(zu)成部(bu)分(fen)。由于缺乏 T 細胞(bao),這(zhe)會導(dao)致免(mian)疫力(li)受損。它們(men)是(shi)(shi)通過破壞 FOXN1 基(ji)(ji)因(yin)(yin)在實(shi)驗室中(zhong)產生的(de)。FOXN1 基(ji)(ji)因(yin)(yin)負責(ze)人類頭發、指甲和免(mian)疫力(li)的(de)發育。它們(men)在實(shi)驗室中(zhong)用于深入了解免(mian)疫反(fan)應(ying)、癌癥和艾滋病等主(zhu)題(ti)。

4.斑馬魚(斑馬魚)

斑馬(ma)(ma)魚(yu)(yu)(斑馬(ma)(ma)魚(yu)(yu))是(shi)一種常見于南亞的(de)淡水魚(yu)(yu),在研究(jiu)中被廣泛用作脊椎(zhui)動物(wu)模(mo)式生物(wu)。它長約2.5厘米至4厘米。雄性(xing)比雌性(xing)更苗(miao)條、更瘦。它們常見于溪流(liu)、運河、池(chi)塘(tang)和稻田(tian)中。它們是(shi)雜(za)食性(xing)動物(wu),以昆(kun)蟲幼蟲、浮游植物(wu)、蠕蟲等為食。

使斑馬魚(yu)成為(wei)研究的重要模型的因素是(shi):

  • 自 1960 年(nian)代以來(lai),斑馬魚 (Danio rerio) 一直被用作模式生(sheng)物(wu)。他們的全基因(yin)組已被測序(xu);這(zhe)使研究人員能(neng)夠通過在其中產生(sheng)突變來(lai)研究某些(xie)基因(yin)的功能(neng)。

  • 斑馬魚體(ti)型較小,即使(shi)在(zai)預(yu)算較低的(de)小型實驗室中也很(hen)容易處理。

  • 它(ta)們(men)需要較少(shao)的(de)維護,并且每(mei)周可以產(chan)生(sheng)大(da)量后代,這使它(ta)們(men)成為(wei)藥物篩選的(de)寶貴模型。

  • 透明(ming)的斑(ban)馬魚幼蟲有助于研(yan)究內部結構的發育。

  • 在斑馬魚中,受精(jing)發(fa)生在雌性(xing)體(ti)外(體(ti)外受精(jing)),這(zhe)有助于研(yan)究(jiu)人(ren)員研(yan)究(jiu)和監(jian)測發(fa)育的早期階段。

  • 斑馬魚已被(bei)用于研究(jiu)某些疾病(bing)(如(ru)癌癥、肌肉萎縮(suo)癥等)背后(hou)的生物(wu)學(xue)過(guo)程。

  • 斑馬魚(yu)和人類之間有 70% 的基因相似性,使其成(cheng)為研究人類疾(ji)病(bing)的完美模型(xing)。

  • 斑馬魚可以在幾周內修(xiu)復受(shou)損的心肌。科學家們正在探索斑馬魚的這種(zhong)(zhong)獨特能力,并試圖找(zhao)出造(zao)成(cheng)這種(zhong)(zhong)情況的具(ju)體因素。如(ru)果我們能找(zhao)到(dao)修(xiu)復人類(lei)心臟的方法,這將是一項偉大的成(cheng)就。

  • 斑馬魚擁(yong)有(you)參(can)與(yu)代謝過程的所(suo)有(you)器官,因此,它們(men)可用于(yu)研(yan)究人(ren)類許多與(yu)代謝相關的疾病。以(yi)斑馬魚為(wei)動(dong)物(wu)模型(xing),對非(fei)酒(jiu)精性脂肪肝(gan)、肝(gan)病和(he) II 型(xing)糖尿病等疾病進(jin)行了研(yan)究。

5.擬南芥(thale cress)

A. thaliana (thale cress) 是一(yi)種維管植(zhi)(zhi)物,有(you)白色的(de)花(hua)朵。它(ta)被(bei)認為是植(zhi)(zhi)物和農(nong)業(ye)科學(xue)中流行(xing)的(de)模(mo)式(shi)生物。它(ta)是第一(yi)個繪制全基(ji)因組(zu)圖譜的(de)植(zhi)(zhi)物,這使其成為了解植(zhi)(zhi)物分子生物學(xue)、開花(hua)和發育的(de)流行(xing)模(mo)型。

使用(yong) thale cress 作為模式生物的(de)優勢

  • 擬(ni)南芥基因組較(jiao)小(xiao)(~135Mb),便于遺傳作圖(tu),而且由于其體積(ji)小(xiao),易于在(zai)小(xiao)空間內培養,并(bing)產生大(da)量種子。

  • 它已被(bei)用(yong)于了解植(zhi)物(wu)與其致病(bing)病(bing)原體之間的相互作用(yong)。

  • 它的生(sheng)成時間短,生(sheng)長要求有限(xian)。他們很容易照顧。

  • A. 擬南芥可作為農(nong)桿菌(jun)的轉化載體,因此可用(yong)于(yu)植物遺傳學。它有助于(yu)生(sheng)產抗(kang)病原體作物。

  • 開發速(su)度非常快,只(zhi)需 5-6 周。

  • 通過用誘變(bian)化學(xue)物質處理種(zhong)子或將它們保持在某些(xie)輻射下,可以很容(rong)易地(di)進行突變(bian)。

6. 非洲爪蟾(西爪蛙)

非洲爪蟾,又稱西爪蛙(wa),是(shi)蛙(wa)類的一種(zhong)。它的自(zi)然(ran)棲息地包括(kuo)河流、沼澤(ze)、淡水湖泊(bo)、亞熱帶(dai)或熱帶(dai)潮濕的森(sen)林等。熱帶(dai)百合長約5厘米,雌(ci)性(xing)(xing)比雄性(xing)(xing)大20%。他們的眼睛(jing)位(wei)于頭頂的高處。它的爪子(zi)完全結合在一起(qi)。背面呈深褐色(se),帶(dai)有黑(hei)色(se)灰(hui)色(se)小(xiao)斑(ban)點。它以蚯蚓(yin)和昆蟲幼蟲為食(shi),而蝌蚪則以浮游(you)動物為食(shi)。X.tropicalis 已被用(yong)作研究脊椎動物早期發育的模型。

使用熱帶爪蟾作為(wei)模式生物的好處

  • 它(ta)的(de)(de)整個(ge)基因(yin)組已(yi)被測序(xu),這使其(qi)成為研究脊椎(zhui)動物遺傳學和發育生物學的(de)(de)流行模式生物。

  • X.tropicalis 的世代時(shi)間很短,不到 5 個月。

  • X.tropicalis 的體(ti)型較小,因此它們不會占(zhan)用(yong)太(tai)多空間,并且(qie)每次產卵(luan)可以產生大(da)量的卵(luan)(最多 3000 個(ge))。

  • 在實驗(yan)室中,可(ke)以通過注射激素來人工誘導排卵。

  • 胚(pei)胎在外部發育,這有助于研究發育的所有階(jie)段。可以(yi)通(tong)過(guo)將胚(pei)胎暴露于特定的化學物質(zhi)來對胚(pei)胎進行操作。

  • 幾天之(zhi)內,卵子可以發育成(cheng)透明的蝌蚪,這使得(de)使用顯微鏡研究(jiu)胚胎發育的不同階段變得(de)容易(yi)。

  • X.tropicalis 和人類一樣是二倍體,因此,它已被用于研究比較遺傳學、胚胎發育和細胞生物學。

7. 豚鼠(Cavia porcellus)

豚(tun)(tun)鼠(shu)(shu)是嚙齒動物的一種。自17世紀以來,對豚(tun)(tun)鼠(shu)(shu)進(jin)行(xing)了各種研究(jiu)(jiu)。但現在,它們被老鼠(shu)(shu)和實驗(yan)室老鼠(shu)(shu)所取代。許(xu)多研究(jiu)(jiu),如肺結核和壞(huai)血病,都是使用豚(tun)(tun)鼠(shu)(shu)作為(wei)研究(jiu)(jiu)模(mo)型進(jin)行(xing)的。

使(shi)用豚(tun)鼠作為(wei)模式生(sheng)物(wu)的研究示例

  • 豚(tun)鼠(shu)在生(sheng)(sheng)物學(xue)上與人(ren)類相似,這使它們成為(wei)營(ying)養研(yan)究(jiu)、抗(kang)生(sheng)(sheng)素作用、結核病和白喉疫苗(miao)開發以及以豚(tun)鼠(shu)為(wei)動物模(mo)型發現維生(sheng)(sheng)素 C 等研(yan)究(jiu)的完(wan)美(mei)模(mo)型生(sheng)(sheng)物。

  • 豚鼠模型(xing)已被用于研究結核(he)病(bing)的發病(bing)機(ji)制。當(dang)豚鼠被結核(he)分(fen)枝桿菌感染時,它們(men)會像人(ren)類(lei)一樣發展(zhan)出原發性病(bing)變。