模式生物果蠅在科學(xué)研究中的應(yīng)用分析

林晶晶

（福州大學(xué)，福建福州 350116）

模式生物是指用于研究、具有普遍規(guī)律生命現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)材料，噬菌體、大腸桿菌、釀酒酵母、海膽、果蠅、斑馬魚、線蟲和小鼠，以及植物學(xué)研究中的擬南芥、水稻等都是最常見的模式生物。模式生物通常需要滿足幾個(gè)條件：（1）明確的遺傳背景，繁殖快，子代多；（2）易實(shí)驗(yàn)操作；（3）無(wú)害、易獲得，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)飼養(yǎng)和繁殖；（4）有利于解決目標(biāo)問(wèn)題，代表生物界的某一大類群。根據(jù)需要解決的問(wèn)題，生物學(xué)家來(lái)選擇合適的生物作為模式生物。

1 模式生物果蠅的貢獻(xiàn)

在各種模式生物中，果蠅成就了不少大科學(xué)家，2017年三位諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者對(duì)控制生物鐘基因的發(fā)現(xiàn)，就是得益于以果蠅為實(shí)驗(yàn)材料。果蠅是生物學(xué)家的得力助手，在遺傳學(xué)、發(fā)育的基因調(diào)控、各類神經(jīng)疾病、嗅覺、視覺的記憶等研究領(lǐng)域中，都有果蠅的身影。摩爾根和他的學(xué)生們以果蠅為實(shí)驗(yàn)材料，經(jīng)過(guò)十多年的努力，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，終于建立了完整的基因遺傳學(xué)說(shuō)，連鎖遺傳法則的建立是摩爾根對(duì)孟德爾遺傳學(xué)的新貢獻(xiàn)[1]。

果蠅（fruit flies），拉丁名Drosophila。黑腹果蠅是最普遍應(yīng)用于遺傳學(xué)的果蠅，也是奠定經(jīng)典遺傳學(xué)基礎(chǔ)的重要模式生物之一，對(duì)其染色體組成和表型、基因編碼和定位的認(rèn)識(shí)，是其他生物無(wú)法比擬的。基于清晰的遺傳背景和便捷的遺傳操作，果蠅在發(fā)育生物學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)等領(lǐng)域也都占據(jù)了不可替代的位置。1910年，美國(guó)遺傳學(xué)家摩爾根以果蠅作為研究工具發(fā)表論文，同他的學(xué)生一起奠定了果蠅的百年輝煌。一百多年來(lái)，果蠅的研究對(duì)于遺傳學(xué)、演化、發(fā)育生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和免疫學(xué)起到了十分中要的作用，從而推動(dòng)了多個(gè)基礎(chǔ)和應(yīng)用學(xué)科的發(fā)展，間接影響甚廣[2]。

2 模式生物果蠅的優(yōu)勢(shì)

2.1 果蠅的生活史和習(xí)性

果蠅作為模式生物有諸多優(yōu)勢(shì)：（1）果蠅為一種體形較小的昆蟲，有4對(duì)染色體，且唾腺染色體特別大，容易觀察；（2）生活周期短，10～14天就能完成一代；（3）喜歡腐爛的水果和發(fā)酵物，非常容易飼養(yǎng)；（4）遺傳操作手段成熟，突變體資源豐富；（5）有較復(fù)雜的行為能力。這些特性決定了果蠅能作為觀察遺傳現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)材料最佳選擇。果蠅的生活周期包括卵、幼蟲、蛹和成蟲四個(gè)完全變態(tài)的發(fā)育階段，其中幼蟲又分為一齡、二齡、三齡三個(gè)時(shí)期。從初生卵發(fā)育至新羽化的成蟲為一個(gè)完整的發(fā)育周期，在25℃，60%相對(duì)濕度條件下，約為10天，控制養(yǎng)殖的溫度可以加速和減緩果蠅的發(fā)育。果蠅個(gè)體幼蟲在三齡時(shí)達(dá)到最大，約2mm，成年果蠅也僅2～3mm。新羽化的雌性成蟲約8h之后即可交配，約40 h開始產(chǎn)卵，第4～5天出現(xiàn)產(chǎn)卵高峰。性成熟雌性果蠅生殖能力很強(qiáng)，產(chǎn)卵初期每天可達(dá)50～70枚，累計(jì)產(chǎn)卵可達(dá)上千枚。較短的生命周期及較強(qiáng)的繁殖能力使得研究者可以在短時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)繁殖出大量特定種系的果蠅，此外，果蠅有復(fù)雜的社會(huì)行為學(xué)，如打斗、求偶、覓食、運(yùn)動(dòng)、趨光性、趨觸性、晝夜節(jié)律等，這些都給研究者觀察和研究提供參考，使果蠅得以廣泛應(yīng)用于生物學(xué)研究，特別是系統(tǒng)發(fā)育學(xué)及遺傳學(xué)等研究。

2.2 果蠅的相關(guān)遺傳工具

作為有一定研究歷史的生物，在果蠅中已經(jīng)建立起一整套的遺傳工具，如平衡致死系、P因子插入突變品系、缺失品系。更值得一提的是，還可以利用轉(zhuǎn)座因子構(gòu)建各種轉(zhuǎn)基因果蠅、利用GAL4/UAS二元表達(dá)系統(tǒng)建立誘導(dǎo)基因表達(dá)品系、利用FLP-FRT在果蠅體內(nèi)制造嵌合體（mosaic）[3]。幾乎所有的神經(jīng)退行性疾病的果蠅模型都是利用GAL4/UAS系統(tǒng)構(gòu)建的，該體系的關(guān)鍵在于靶基因的表達(dá)是被UAS調(diào)控的，UAS為上游激活序列，在這套體系中，人類相關(guān)的轉(zhuǎn)基因被克隆到帶有UAS的質(zhì)粒上。GAL4是酵母中的轉(zhuǎn)錄激活因子，GAL4基因和UAS-靶基因分別位于兩個(gè)轉(zhuǎn)基因品系中。在GAL4轉(zhuǎn)基因品系中，只有轉(zhuǎn)錄激活因子，沒(méi)有靶基因。在UAS-靶基因品系中，沒(méi)有轉(zhuǎn)錄激活因子，故靶基因處于沉默狀態(tài)。只有當(dāng)GAL4蛋白結(jié)合到UAS上時(shí)，目標(biāo)基因才可被轉(zhuǎn)錄。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)帶有雜合UAS-GFP報(bào)告基因的果蠅和帶有雜合GAL4表達(dá)系統(tǒng)的果蠅雜交后，它們的后代有4種基因型，其中一種后代果蠅就同時(shí)帶有報(bào)告基因和GAL4表達(dá)基因，從而表達(dá)GFP熒光蛋白。利用不同的GAL4可以實(shí)現(xiàn)同一基因在不同組織及不同發(fā)育時(shí)期的功能的表達(dá)，并且實(shí)現(xiàn)這些基因在特定的時(shí)空上表達(dá)。此外，由于帶有UAS-靶基因的轉(zhuǎn)基因品系中沒(méi)有GAL4的存在，此時(shí)靶基因處于沉默狀態(tài)。因此如果該靶基因的表達(dá)是致死的，那該UAS-靶基因品系仍然能夠存活。這一優(yōu)勢(shì)，使得利用GAL4/UAS系統(tǒng)可構(gòu)建出帶致死基因的轉(zhuǎn)基因品系，這也可應(yīng)用在指定靶細(xì)胞的敲除。充分利用這幾套系統(tǒng)，可以使果蠅遺傳學(xué)發(fā)揮其獨(dú)特的魅力。果蠅中的這些遺傳手段已運(yùn)用在了解人類疾病的病理，在比較遺傳學(xué)中得到的大量成果被經(jīng)典的反向遺傳學(xué)利用，即在鑒定出人類疾病相關(guān)的某個(gè)特定基因的果蠅同源基因后，通過(guò)這些遺傳手段來(lái)操控減少或改變?cè)摶虻墓δ?，或是提高該基因的表達(dá)水平[4]。

3 模式生物果蠅的研究意義

生命從低等緩慢進(jìn)化到高等，許多基本生命活動(dòng)方式還保持著許多相似性，這是模式生物研究策略能夠成功的基礎(chǔ)。基本的遺傳學(xué)規(guī)律從果蠅到人很相似。果蠅的基因組測(cè)序已于2000年完成，75%的人類已知致病基因在果蠅中有同源序列。有些生物學(xué)過(guò)程，果蠅和人不是十分一致，卻有相似的分子機(jī)理，胚胎發(fā)育的基因就是很好的例子。果蠅胚胎是功能合胞體，在早期胚胎分裂時(shí)，只有細(xì)胞核分裂，沒(méi)有細(xì)胞膜分裂，直到幾千個(gè)細(xì)胞核再開始形成細(xì)胞膜，變成分開的細(xì)胞。而哺乳類胚胎，當(dāng)然是一個(gè)細(xì)胞分裂成為兩個(gè)細(xì)胞，幾千個(gè)都是分開的細(xì)胞，而不是幾千個(gè)細(xì)胞核共用一個(gè)細(xì)胞。如此巨大的差別使很多人認(rèn)為研究果蠅早期發(fā)育對(duì)人類無(wú)意義，但是在研究了控制果蠅發(fā)育的基因后，找它們的哺乳類（包括人類）的相應(yīng)基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不僅在原理上果蠅和人相似，而且在有些具體基因上也相似。因此，研究果蠅的發(fā)育為研究高等動(dòng)物的發(fā)育帶來(lái)了根本的突破。近年來(lái)，果蠅作為模式生物廣泛應(yīng)用于癌癥、神經(jīng)退行性疾病、免疫、衰老、行為學(xué)等的科學(xué)研究中[5]。

果蠅與人類的多巴胺系統(tǒng)在進(jìn)化上具有的保守性，成為建立果蠅的帕金森疾病模型的先決條件。此外，果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)目與脊椎動(dòng)物相當(dāng)，且它們有相同類型的神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)如GABA(γ-氨基丁酸）、谷氨酸、多巴胺、5-羥色胺及乙酰膽堿等，能完成相當(dāng)復(fù)雜的神經(jīng)行為。以往大量的研究表明果蠅和人類之間有大量的基因和信號(hào)傳導(dǎo)通路是保守的，且我們已知在果蠅中有多種多樣的遺傳操作手段[6]。這些都使得果蠅成為發(fā)現(xiàn)新的疾病相關(guān)遺傳因子的有效工具，在其它動(dòng)物模型則會(huì)相當(dāng)困難。果蠅的神經(jīng)系統(tǒng)相對(duì)于脊椎動(dòng)物等其他物種來(lái)說(shuō)相對(duì)簡(jiǎn)單，因而對(duì)其生理、生化及解剖的研究相對(duì)簡(jiǎn)單易行。但是它的神經(jīng)系統(tǒng)又具有一定的復(fù)雜性，使得果蠅可以完成覓食、交配、求偶、學(xué)習(xí)記憶以及晝夜節(jié)律等復(fù)雜行為。果蠅無(wú)論在蛋白質(zhì)分子基礎(chǔ)，還是信號(hào)傳導(dǎo)通路;無(wú)論是神經(jīng)編碼方式，還是突觸傳遞機(jī)制，以及神經(jīng)疾病的發(fā)生和病癥上，都與哺乳動(dòng)物有高度的相似性。因此，以果蠅為模型，研究神經(jīng)系統(tǒng)的一些基本問(wèn)題，是一個(gè)簡(jiǎn)捷而有效的途徑。

[1]萬(wàn)永奇,謝維.生命科學(xué)與人類疾病研究的重要模型--果蠅[J].生命科學(xué),2006,18(5):425-429.

[2]Rubin G M, Lewis E B. A Brief History of Drosophila’s Contributions to Genome Research[J].Science,2000,287(5461):2216-2218.

[3]St Johnston D. The Art and Design of Genetic Screens:DrosophilaMelano gaster[J].Nat Rev Genet,2002,3(3):176-188.

[4]Letsou A, Bohmann D. Small Flies - Big Discoveries: nearly a Century of Drosophila Genetics and Development[J].Dev Dyn,2005,232(3):526-528.

[5]Nusslein-Volhard C, Wieschaus E. Mutations Affecting Segment Number and Polarity in Drosophila[J].Nature,1980,287(5785):795-801.

[6]Adams M D, Sekelsky JJ. From Sequence to Phenotype: Reverse Genetics inDrosophilamelanogaster[J].Nat Rev Genet,2002,3(3):189-198.