淺談秀麗隱桿線蟲(chóng)的模型建立與研究進(jìn)程

鄧陽(yáng)

摘 要：秀麗隱桿線蟲(chóng)作為一種簡(jiǎn)單的多細(xì)胞真核生物由于具有較多優(yōu)點(diǎn)成為科研者建立模型與藥物靶點(diǎn)研究與新藥研制的重點(diǎn)研究生物。本文僅將近年來(lái)秀麗隱桿線蟲(chóng)的特點(diǎn)、模型建立及研究進(jìn)展作簡(jiǎn)要整理與分析。

關(guān)鍵詞：秀麗隱桿線蟲(chóng)；模型篩選

建立一個(gè)較為優(yōu)良的篩選模型，至少應(yīng)具備良好的穩(wěn)定性、重復(fù)性和可操作性這些特征。在傳統(tǒng)的藥物研究中，實(shí)驗(yàn)者往往使用小鼠、兔子作為模型研究藥物靶點(diǎn)和進(jìn)行藥物研發(fā)，但這些動(dòng)物模型具有傳代時(shí)間長(zhǎng)、受環(huán)境因素影響較強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性低等缺點(diǎn)，而秀麗隱桿線蟲(chóng)作為一種操作較為簡(jiǎn)便的生物逐漸被嘗試，優(yōu)點(diǎn)也不斷顯現(xiàn)。

一、秀麗隱桿線蟲(chóng)（以下簡(jiǎn)稱線蟲(chóng)）的“秀麗”之處

1.易于培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中線蟲(chóng)一般在瓊脂平板上或液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，溫度在20℃左右，以E.coli OP50為食。能在-80℃冰箱長(zhǎng)期保存[1]，因其穩(wěn)定性較強(qiáng)而便于保存與使用。

2.繁殖快，且產(chǎn)后代數(shù)量多，成本較低。其絕大多數(shù)個(gè)體為雌雄同體，雄蟲(chóng)僅占0.05%。一只雌雄同體野生型線蟲(chóng)可以產(chǎn)出 300個(gè)左右的后代，其在產(chǎn)卵期產(chǎn)卵，優(yōu)先選擇雄性的精子。若與雄蟲(chóng)交配，后代數(shù)則可多達(dá)1000個(gè)。20℃時(shí)，野生型線蟲(chóng)發(fā)育一個(gè)世代僅需要3d左右，平均壽命為2-3 周。

3.線蟲(chóng)以動(dòng)物整體作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，同時(shí)規(guī)模容易進(jìn)行擴(kuò)大研究。線蟲(chóng)成蟲(chóng)體長(zhǎng)僅1mm，體徑30μm，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。從最初的培養(yǎng)板準(zhǔn)備，到最終目的線蟲(chóng)篩選或特定量化性質(zhì)的測(cè)定均可以實(shí)現(xiàn)全/半自動(dòng)化，因此具有較高的操作性，準(zhǔn)確率高。目前研究者已完成線蟲(chóng)全基因組測(cè)序，并且這些基因中高達(dá)42%的基因與人類基因同源[1，2]，其遺傳背景相對(duì)清晰。因此作為整體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，當(dāng)藥物在體內(nèi)的作用靶點(diǎn)不止一個(gè)時(shí)，往往能提供更準(zhǔn)確的評(píng)估。

4.線蟲(chóng)身體透明，便于染色、觀察與熒光標(biāo)記。這一特點(diǎn)已被用于基于線蟲(chóng)的高通量篩選并獲得了成功[3]。

二、藥物模型的建立

1.抗衰老藥物模型的建立

自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，研究者便開(kāi)始逐步將秀麗隱桿線蟲(chóng)模型用于人體衰老、神經(jīng)生理學(xué)等領(lǐng)域的研究。英國(guó)科學(xué)家Brenner[4]選擇使用線蟲(chóng)作為研究完整神經(jīng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確度高的生物模型。一直以來(lái)人們致力于研究將秀麗隱桿線蟲(chóng)模型用于daf-2基因、5-HT、膽酸甾體化合物等物質(zhì)與衰老調(diào)控的關(guān)系的研究。在線蟲(chóng)的細(xì)胞凋亡研究中首個(gè)發(fā)現(xiàn)多物種中保守的調(diào)控衰老的胰島素/IGF-1信號(hào)通路，其關(guān)鍵起始基因daf-2缺失的突變株線蟲(chóng)壽命在20℃條件下延長(zhǎng)達(dá)三倍之多.目前發(fā)現(xiàn)影響線蟲(chóng)衰老的主要信號(hào)通路還包括雷帕霉素目標(biāo)信號(hào)通路（TOR）、自噬通路、線粒體呼吸通路和缺氧誘導(dǎo)因子-1（HIF-1）通路等，這些通路之間既相互關(guān)聯(lián)卻又在線蟲(chóng)衰老進(jìn)程中各司其職.張照康等通過(guò)對(duì)miR-260敲除后突變線蟲(chóng)進(jìn)行一系列的衰老特征實(shí)驗(yàn)研究證明，miR-260 通過(guò)影響基因jnk-1.eat-2進(jìn)而調(diào)控線蟲(chóng)的衰老進(jìn)程。進(jìn)一步證明了線蟲(chóng)模型在研究人類衰老進(jìn)程中的適用性與準(zhǔn)確性。

2.耐藥菌藥物模型的建立

隨著抗生素濫用情況日益嚴(yán)重，細(xì)菌多重耐藥性問(wèn)題日益凸顯，為探尋新的抗菌靶點(diǎn)和藥物作用機(jī)制，科研人員嘗試使用線蟲(chóng)模型用于抗菌研究。學(xué)者Ausubel等首次用糞腸球菌感染秀麗隱桿線蟲(chóng)，建立了體內(nèi)抗菌藥物篩選方法之后，細(xì)菌、真菌等多種感染模型逐步被建立并用于研究。陳麗紅等則進(jìn)一步探究建立并深入實(shí)踐研究了秀麗隱桿線蟲(chóng)-銅綠假單孢菌感染模型，均用以反映病原菌的耐藥性在線蟲(chóng)模型中的具體變現(xiàn)，從而用于篩選經(jīng)典藥物，同時(shí)研制具有抗感染或輔助抗感染作用的新型藥物。

3.神經(jīng)退行性疾病模型的建立

（1）阿爾茲海默癥（Alzheimers disease，AD）秀麗隱桿線蟲(chóng)模型作為目前為止人類疾病研究進(jìn)程的第一大神經(jīng)退行性疾病，AD治病表征主要表現(xiàn)為神經(jīng)細(xì)胞外由β淀粉樣蛋白（Aβ）異常沉積形成淀粉樣老年斑（amyloid plaques）和神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)tau蛋白自聚集出現(xiàn)神經(jīng)纖維纏結(jié)。目前轉(zhuǎn)基因模型為使用最多的AD模型：轉(zhuǎn)Aβ基因模型和tau模型。

（2）帕金森癥（Parkinson disease，PD）線蟲(chóng)模型作為先進(jìn)人類疾病研究進(jìn)程中的第二大神經(jīng)退行性疾病，關(guān)于PD的研究，學(xué)者目前已建立藥物誘導(dǎo)模型、轉(zhuǎn)基因模型兩大PD線蟲(chóng)模型。藥物誘導(dǎo)模型是通過(guò)神經(jīng)毒素染毒獲得通過(guò)建立PQ模型，MPTP/MPP+模型，Mn2+模型和6-OHDA模型等諸多模型，研究PD的發(fā)病是否與遺傳因素和環(huán)境因素有一定的關(guān)聯(lián)性。

（3）亨廷頓舞蹈癥（Huntington disease，HD）秀麗隱桿線蟲(chóng)模型病因?yàn)榛蛲蛔兓虻?對(duì)染色體內(nèi)4p16.32的位置上一段延伸著不穩(wěn)定的CAG三核苷酸重復(fù)序列，Morley J F等經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，隨著CAG片段的重復(fù)性增加，秀麗隱桿線蟲(chóng)的神經(jīng)細(xì)胞隨之退化，HD的病癥越來(lái)越明顯。

4.抗腫瘤模型的建立

研究者利用秀麗隱桿線蟲(chóng)高度保守性的特點(diǎn)，將其用于細(xì)胞凋亡歷程的研究。秀麗隱桿線蟲(chóng)的發(fā)育由高度保守的Writ、Notch、Ras三大經(jīng)典信號(hào)通路所調(diào)控，這三條通路都與人類疾病中的腫瘤發(fā)病機(jī)理有著不可分割的聯(lián)系。由于可根據(jù)線蟲(chóng)的異常表型來(lái)判斷這三大信號(hào)通路的調(diào)控方式，使得線蟲(chóng)成為腫瘤藥物篩選的理想模型之一，同時(shí)秀麗隱桿線蟲(chóng)的細(xì)胞程序性凋亡這一特點(diǎn)在研究中更是起到了畫(huà)龍點(diǎn)睛的作用。

三、傳統(tǒng)高通量篩選與微流控芯片線蟲(chóng)研究的方法

利用線蟲(chóng)高通量篩選活性化合物來(lái)研究藥物作用靶點(diǎn)與研制新藥是較為傳統(tǒng)的線蟲(chóng)研究方法。但這種傳統(tǒng)篩選方法有著顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)，操作繁多，耗時(shí)長(zhǎng)，易于觀察群體卻不便于個(gè)體的觀察與追蹤研究。最終用于固定線蟲(chóng)的膠水可能對(duì)線蟲(chóng)的生理特征存在潛在的影響。

基于傳統(tǒng)高通量篩選方法存在的缺點(diǎn)日益顯現(xiàn)，人們開(kāi)始探尋篩選線蟲(chóng)的新方法。目前微流控芯片技術(shù)追蹤線蟲(chóng)用于神經(jīng)生物學(xué)、行為、衰老及發(fā)育學(xué)、藥物篩選及基因篩選等領(lǐng)域已逐漸走進(jìn)大家的視線。在線蟲(chóng)培養(yǎng)過(guò)程中微流控芯片中可運(yùn)用靈活的流體操控實(shí)現(xiàn)對(duì)線蟲(chóng)食物的添加和代謝物的排出，從而滿足了線蟲(chóng)所需能量的充分?jǐn)z入，并且這一特點(diǎn)也方便了線蟲(chóng)的后期分選，也可精確地將刺激傳遞給每一個(gè)線蟲(chóng)個(gè)體，較傳統(tǒng)的方法便捷且經(jīng)濟(jì)。同時(shí)采用機(jī)械法、凝膠法、溫控法等固定方法以避免高通量篩選所用固定的膠水對(duì)線蟲(chóng)的潛在傷害。作為微流控芯片的另一種方式液滴微流控芯片技術(shù)，還具有高效且無(wú)交叉感染等難以比擬的優(yōu)點(diǎn)。

在不斷實(shí)踐過(guò)程中，線蟲(chóng)的缺點(diǎn)逐漸暴露，線蟲(chóng)并不具備人體的各種身體器官與系統(tǒng)，與人類存在明顯的種間差異，這些缺點(diǎn)必定會(huì)對(duì)線蟲(chóng)最終的表型產(chǎn)生影響，還需在日后的研究中不斷克服或探尋更為合適的替代部分。

參考文獻(xiàn)

[1]孫亞奇，盧錫林，蘇鳳娟，等.帕金森病基因α-Synuclein過(guò)表達(dá)對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)毒性作用的研究.新醫(yī)學(xué)，2013，44（4）：273-277

[2]楊平.阿爾茲海默病的秀麗隱桿線蟲(chóng)模型及其應(yīng)用.中國(guó)細(xì)胞生物學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（1）：37-42

[3]張照康，BILLY Kiunda John，努爾古麗·蘇里坦，楊利建. microRNA-260在秀麗隱桿線蟲(chóng)衰老進(jìn)程中的作用研究. 華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，50（6）：898-903.

[4]周雨朦，李繼安，沈舜義，林惠敏，葛涵，朱春寶，陳代杰. 基于秀麗隱桿線蟲(chóng)耐藥菌感染模型篩選活性化合物.中國(guó)抗生素雜志，2014，39（7）：481-485.

[5]陳麗紅，孫利芹，王長(zhǎng)海. 利用秀麗隱桿線蟲(chóng)構(gòu)建抗菌物質(zhì)體內(nèi)篩選模型.煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，25（2）：117-121.

[6]周雨朦，陳代杰.秀麗隱桿線蟲(chóng)在藥物篩選中的應(yīng)用.上海醫(yī)藥，2011，32（11）：566-571.

[7]何瑜玢，夏莉，梁靜靜，等.亨廷頓舞蹈癥的臨床特點(diǎn)與基因診斷.中國(guó)神經(jīng)精神疾病雜志，2012，38（7）：431-434.

（作者單位：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)）