关于秀丽隐杆线虫的综述

关于秀丽隐杆线虫的综述生物153班刘通宇摘要：本文为关于秀丽隐杆线虫的综述文章，主要介绍了秀丽隐杆线虫的一些基本信息，并结合这些基本信息引出秀丽隐杆线虫的细胞周期、神经系统等方面的研究价值与药物筛选、毒性评价方面的应用价值，并结合以上信息讨论笔者对于秀丽隐杆线虫研究现状的评价以及在药理、进化论等方面的应用与研究展望，并探讨了其在回答生命意义中的价值。

关键词：秀丽隐杆线虫；研究价值；应用价值Abstract: This is a summative article about Caenorhabditis elegans, mainly introduced some of the essential information and then elicit the research value on the cell circle, nervous system, and also applications value on medicine screening, toxicity assessment. At the end, the author gives out his personal assessment about the research that had been conducted, and also introduced his personal prospect about the application and research in pharmacology and evolutionism, etc. It also discussed the Caenorhabditis elegans’ role in answer ing the question for the meaning of life.Key words:Caenorhabditis elegans; research value; application value模式生物是生物学家实验中用于探究某种普遍生命现象的生物物种。

目前常见的模式生物有酵母、线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠、拟南芥等，它们为生命科学及医学发展发挥着重要的作用。

其中，秀丽隐杆线虫作为一种在遗传、细胞周期、神经系统等方面的理想模式生物，于20世纪60年代由分子遗传学奠基人之一的Brenner选择作为细胞凋亡与神经行为学等方面的研究对象。

这一选择是具有指向意义的，Brenner及其他科学家在确立了分子遗传学的中心法则之后，认为生物学未来将向发育与神经等复杂问题上发展。

[1-4]的确如Brenner所料，后辈的学者们以秀丽隐杆线虫为模式生物，不仅在发育生物学、神经系统方面取得了诸多成果，还利用其开发了其它的模型，不断推动着生命科学的发展。

1关于秀丽隐杆线虫的基本信息秀丽隐杆线虫之所以能成为模式生物，根本原因还是在于它自身的一些特点，例如其细胞数量是一个定数，生命周期较短，结构简单，基因与人类具有保守性，具有学习能力，易于饲养等等。

正是科学家们对秀丽隐杆线虫这些基本特点的充分挖掘，才使其为我们带来无数的发现。

表1 秀丽隐杆线虫的分类[5]秀丽隐杆线虫呈蠕虫状、两侧对称，体表有一层角质层覆盖物，无分节，有四条主要的表皮索状组织及一个充满体液的假体腔，成体约1毫米。

秀丽隐杆线虫基本解剖构造包括一个口、咽、肠、性腺，及胶原蛋白角质层。

有雄性及雌雄同体两种性别，雄性有一个单叶性腺，输精管，及一个特化为交配用的尾部。

雌雄同体有两个卵巢、输卵管、藏精器，及单一子宫。

绝大多数个体为雌雄同体，雄性仅占0.05%。

外观上可从虫的尾部来区分性别，雌雄同体的个体在平时尾部是锥形的，当要交配时会变为扇形。

[6, 7]图1 L1期秀丽隐杆线虫幼虫的模式图[10]1.2秀丽隐杆线虫的细胞特征秀丽隐杆线虫的细胞数量是一个定数，幼虫具有556个体细胞和2个原始生殖细胞，雌雄同体的成熟个体具有959个体细胞和2000个生殖细胞，雄性成熟个体具有1031个体细胞和1000个生殖细胞。

这使得科学家容易观察其每个细胞的发育过程。

线虫的神经系统的解剖结构也较为简单，仅有302个神经细胞，但却含有与高等动物脑相类似的众多神经递质，能感受到各种环境刺激，通过控制肌肉做出多种反应。

[6, 9]1.3秀丽隐杆线虫的生命周期秀丽隐杆线虫可由雌雄同体个体进行自体受精产生受精卵，也可由雄性个体与雌雄同体个体交配产生受精卵，且当异体受精发生时，来自雄性个体的精子会被优先选择。

虫卵由雌雄同体个体产生并排出。

当自体受精时，雌雄同体会产生200-300枚卵，而异体受精时则会产生1000余枚卵。

秀丽隐杆线虫的胚胎发育始于雌雄同体个体的子宫内，约两小时后被母体排出，继续其发育进程。

在自受精开始后的约14小时的过程中，它完成了前后轴、背腹轴及左右轴的确立（详见2.2），内胚层、中胚层和外胚层及各种组织器官的形成，最后孵化，进入幼虫发育的第一个时期，L1期。

此时它有558个细胞。

在接下来的50个小时中，秀丽隐杆线虫将经历另外的三个发育阶段，L2、L3与L4期，这几个时期由脱皮来划分。

大多数细胞在L1期之后便不再分化，只有一些胚细胞会继续分化为更多的神经细胞、肌肉细胞，及与交配和繁殖相关的结构。

[7]值得注意的是，在L2幼虫期的末期，如果环境状况不适合继续生长的话，秀丽隐杆线虫的幼虫可能会进dauer幼虫阶段，这些不适合生长的环境状况包括受到环境费洛蒙影响、食物匮乏、高温等，会促使幼虫进入L2的幼虫阶段，这个阶段幼虫同时具有可以继续进入L3幼虫期或dauer幼虫期的潜力，若环境逆境太强则进入dauer，若环境转好则进入L3幼虫期，而dauer期为一个不会衰老的状态，因为dauer期的长短并不会影响dauer期后的虫体寿命。

在取得食物供应后的一个小时内，dauer幼虫脱离dauer，二到三个小时之后开始进食，最后在十个小时后会蜕皮进入L4幼虫期。

在22°C到25°C的环境下，大概在孵化后的45－50小时就会变成成熟的雌雄同体个体，并产下它的第一个卵，成熟雌雄同体个体大约可以产生四天的卵细胞，在这段具有生殖力期间后的三到四天，成体会另外再存活十到十五天。

[6]图2 秀丽隐杆线虫的生命周期[10]秀丽隐杆线虫由受精卵发育至性成熟只需三天，线虫平均寿命为三周。

1.4秀丽隐杆线虫的基因特点秀丽隐杆线虫是第一个被完成基因组测序的物种。

其基因组很小，只有80,000,000 bps，为人类基因组的3%，约有13,500个基因。

且秀丽隐杆线虫与原核生物相似，有25%左右的基因产生多顺反子mRNA，这与下游基因表达有关。

秀丽隐杆线虫大部分是XX型的雌雄同体个体，大约每500个蠕虫有1个是XO型的雄体，此是染色体不分离的结果。

[6] 值得注意的是，秀丽隐杆线虫药靶基因与人类基因的同源性达到60% ～80%。

在孟德尔人类遗传资料库的2 466 个人类疾病基因中，有533 个与秀丽隐杆线虫同源。

[11]1.5秀丽隐杆线虫的神经特点秀丽隐杆线虫的神经结构虽然简单，却很完善。

雌雄同体的秀丽隐杆线虫302个神经元56 个胶质细胞，占体细胞的三分之一。

根据形态不同可302个神经元分为118种类型。

根据功能可分为感觉神经元间神经元和运动神经3种类型, 共具有5000个化学突触、600个缝隙连接和2000个神经肌肉接头。

秀丽隐杆线虫包含多种经典的神经递质，如乙酰胆碱、多巴胺、5-羟色胺、谷氨酸、γ-氨基丁酸和神经肽等。

这些神经递质在神经元中的合成、储存和代谢等过程都与哺乳动物具有高度相似性。

线虫的大多数离子通道基因也与哺乳动物具有同源性。

[4]秀丽隐杆线虫不但具有精巧的神经系统，还具有丰富的行为学特征，如运动、觅食、排泄、交配、排卵、温度趋向性、化学趋向性和群体趋向性等，因此通过行为异常突变体的筛选可以明确行为学的分子机制。

另外，线虫身体透明，在微分干涉显微镜下细胞清晰可见，通过激光束杀死特定神经元可以明确特定神经元的功能。

1.6秀丽隐杆线虫的培养与保存李有全等人的探究发现，秀丽隐杆线虫在OP50-NGM培养基（NaCl 0.3 g , 蛋白胨0.25 g , 琼脂1.7 g , 1 mol/ L KH2PO4-K2HPO4缓冲液(pH6 .0)2.5 mL , 加水定容至100 mL , 高压灭菌后, 待培养液降温至60 ℃, 加入胆固醇乙醇溶液(5 mg/mL)0.1mL, 1 mol/ L MgSO4 0.1 mL , 1 mol/ L CaCl2 0.1 mL，快速混匀后，制备60 mm 的NGM培养基平板，涂大肠杆菌OP50，制成OP50-NGM培养基。

）上生长情况相较其它三种培养基更好。

室温下培养即可。

在保存方面，最佳保存温度为-80 ℃，含50 mL/L甘油的LB液、含50 mL/L甘油的PBS液与含100 mL甘油的水溶液均可用于线虫的冻存，其中LB液效果最好。

此外, 用液氮保存时, 成虫和幼虫均能存活；而在-80 ℃和-20 ℃条件下。

仅有幼虫存活。

可见, 成虫更适合在液氮中保存。

[12]2秀丽隐杆线虫的研究价值上文中已经介绍了关于秀丽隐杆线虫的一些基本特征，例如其发育有专门的生理器官；其完整的神经网络图、基因图谱已被绘制，且二者均与高级哺乳动物具有相似性；它的细胞数量确定使得观察其每个细胞发育过程成为可能等。

基于以上特点，秀丽隐杆线虫成为了科学家们理想的研究对象。

2.1秀丽隐杆线虫在神经科学中的研究在学习记忆研究中，Rankin等于1990年发现秀丽隐杆线虫具有学习记忆能力，具体而言即短期习惯化、去习惯化和敏感化的能力。

科学家利用秀丽隐杆线虫对机械刺激温度、化学物质、气味、氧浓度等的刺激反应，联合食物与饥饿等条件联合刺激，使得线虫对外界刺激产生趋向性，由此探究线虫的学习记忆机制，并不断在细胞、分子水平上取得进展。

[4] 在神经系统疾病研究方面，秀丽隐杆线虫已被应用于脑死亡、神经系统退行性病变（如阿尔茨海默病、帕金森病等）、成瘾性疾病等的研究之中。

在低氧损伤后，线虫的细胞也会和哺乳动物一样出现胞体肿胀、神经轴索断裂等细胞形态学改变，因此秀丽隐杆线虫适合作为神经缺氧损伤方面的模式生物。

目前已在线虫低氧应答的机制方面取得进展。

科学家还通过转基因、化学刺激等手段诱发秀丽隐杆线虫退行性神经疾病，并在基因表达、信号通路、信息分子方面探究了这些疾病的发病机制。

秀丽隐杆线虫在对酒精、尼古丁的反应上也会出现与哺乳动物相类似的行为学变化。

科学家们通过对成瘾机制的探究已经发现了一些可能发展为治疗方案的关键点。

[4]2.2秀丽隐杆线虫在不对称发育方面中的研究成果通过科学家对秀丽隐杆线虫的观察发现，在受精之前线虫卵中没有任何不对称的证据。