分子遗传学中的模式生物

（生物科技行业）模式生物生命研究中的明星——模式生物李璐冰2009044020123河北农业大学生命科学学院生物科学0901班，河北保定071000 摘要：模式生物在现代生命科学研究中有着举足轻重的地位，特别是随着功能基因组计划的开展，数种生物的基因组序列已经获得，模式生物在遗传学、功能基因组学、分子生物学、发育遗传学以及对人类疾病机理模型的研究中被广泛应用。

本文主要以微生物大肠杆菌、植物拟南芥和动物斑马鱼这几种经典的模式生物为例，介绍了模式生物的概况。

关键词：模式生物，功能基因组学，分子生物学，发育遗传学正文：模式生物（Modelorganism）是人们研究生命现象过程中长期和反复作为实验模型的动物、植物和微生物，通过对这些物种的科学研究来揭示某种具有普遍规律的遗传现象，模式生物的种类有很多，如果蝇、小鼠、拟南芥、大肠杆菌等，主要应用于遗传学和发育遗传学早在二十世纪初期，人们就发现，如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上，则发育现象难题可以得到部分解答。

因为简单生物的细胞数量少，分布相对单一，更容易进行实验操作，变化也较好观察。

由于生物进化的原因，生物在发育的基本模式方面具有很大的相似性，许多生命活动的方式在不同物种的生物见具有同一性，这是通过模式生物来研究更复杂生物的方法可以有效并成功的基础。

尤其是当在有不同发育特点的生物中发现共同形态形成和变化特征时，发育的普遍原理也就得以建立。

因此对模式生物的研究可以帮助探索和理解生命的一般规律，在生命研究中有着举足轻重的地位。

1987年美国国立卫生院研究所（NationalInstituteofHealth）和美国能源部（DepartmentofEnergy）联合提出了“人类基因组计划（HumanGenomeProject）”,除了对人类基因组的测序，还包括有黑猩猩、小鼠、大鼠和河豚鱼等，以及猪、牛、狗、兔、、鸡、斑马鱼、文昌鱼、海胆、蜜蜂、十几种果蝇、数种线虫、30余种真菌等。

拟南芥作为模式植物在分子遗传学研究中的应用引言拟南芥（Arabidopsis thaliana）作为小草本植物，其外观和生理特性与其它的植物种类几乎没有什么区别。

但是，由于拟南芥有许多独特的特性，能够在分子遗传学、生化学等领域中进行研究。

本文将从分子遗传学的角度，阐述拟南芥作为模式植物在研究中的应用。

第一章：拟南芥基因组测序拟南芥是与人类、昆虫、哺乳动物等有相似性的模式生物，其基因组已在2000年完成了初步测序。

此后，拟南芥的进化树模型、基因表达的定量和定位研究，基因功能和调控机制研究等领域都有了很大的进展。

该基因组大小为125 Mbp，含约2.87×10⁵个基因序列，约占拟南芥基因组的半数，这些序列编码了多种功能蛋白和功能RNA，如转录因子、激素合成和信号传递、代谢物的生物合成等。

第二章：拟南芥作为基因敲除模式植物拟南芥基因组测序是研究拟南芥发展、生长、种子形成等方面的基础。

借助拟南芥基因组测序，我们可以进行基因敲除。

通过基因敲除，我们可以研究一个基因在植物发生、发展中所扮演的角色和机制，可以通过敲除不同基因，找出控制植物特定抗性、花期、营养代谢、根系生长等复杂性状的基因或基因组。

第三章：基因组水平和转录组水平上的研究基因组水平的研究可以使我们了解整个基因组中基因的数量和排列方式，以及某些基因可被表达的时间和空间。

转录组水平的研究可以揭示一个组织或细胞中所有转录所参与的基因。

因此，基因组水平和转录组水平的研究都是非常重要的，它们使得我们可以更好地理解植物的生理和分子机制。

第四章：生物技术的应用基于拟南芥在分子遗传学研究中的应用，许多生物技术也可以得到应用。

例如，近年来克隆和表达优化就是借助了拟南芥高效表达来完成的。

此外，拟南芥作为两项先进技术-基因转化和CRISPR/Cas9技术的模式生物，基因编辑、转基因等科技也可以得到很有效的开发。

结论作为模式植物，拟南芥在分子遗传领域的研究是非常重要的。

模式生物学的研究方法和应用模式生物学是生物学领域中的一个重要研究方向，它的基本思想是通过对某些模式生物体进行研究，推动对生物系统性质和其它生物学问题的深入研究。

目前，模式生物学在分子生物学、发育生物学、进化生物学等领域有着广泛的应用。

模式生物学的研究方法主要包括两类：一是直接通过对模式生物的生命周期的观察、实验室操作和逆向遗传，来揭示这些生物的生物学机理以及这些机理在其它生物体中的应用；二是间接通过对模式生物基因组的分析、比较和系统演化，推断基因表达和生物进化的规律性。

其中，对模式生物生命周期的观察和实验室操作是构建模型的基础。

比如果蝇是模式生物中的一个典型代表。

通过对果蝇的实验操作，生物学家们发现其发育的规律、遗传学特点、行为模式、生命周期等关键特征，进而推断这些特征在其它生物体中的应用。

此外，逆向遗传也是研究模式生物的重要方法，研究者通过基因敲除、基因过表达和基因突变等手段，研究基因和基因组在特定功能上的作用和相互关系。

另外，基因组学和转录组学分析是模式生物学中的重要应用。

基因组学是指对模式生物基因组完整的基序、基因结构、基因互作网络、复制机制等的系统研究；转录组学则是指对基因表达进行综合分析，可以确定某一时期某些基因的表达方式、调控网络等。

这两种方法可以发现生信数据的关键性特征，从而进一步解析生物基因表达和生物进化的规律性。

近年来，在微生物学、植物学、动物学等领域中，模式生物学的应用越来越广泛。

对于很多疑难疾病，比如肿瘤、白血病等，基于模式生物的研究提供了一些突破性的治疗思路。

而对于动植物的保护和管理，通过对其基因组的测序、组装和分析，可以有效地保护和利用生物多样性资源。

总之，模式生物学是一个广阔而有深度的生物学研究领域。

通过研究模式生物，可以深入了解生物学的性质和进化规律，更好地掌握生物学的本质和基本原理。

未来，随着生物学技术和方法的不断进步和完善，模式生物学将逐步发展成为生物学领域的重要研究方法，并为人们深入理解生物体内部的规律性提供更为重要的科学依据。

常见的模式生物有：［海胆］seaurchin是最早被使用的模式生物，主要用于早期发育生物学(受精,早期胚胎发育）。

1891年,HansDriesh在显微镜下把刚刚完成第一次卵裂的海胆胚胎一分为二,发现分开后的两个细胞各自形成了一个完整幼虫,证明了胚胎具有调整发育的能力.为现代发育生物学奠定了第一块观念里程碑.[黑腹果蝇]fruitfly，Drosophilamelanogaster主要用于遗传和发育研究其特点为:繁殖迅速,染色体巨大,易于进行基因定位.由14个体节构成的躯干完全对称,一套基因控制了这些体节从上到下的发生过程,这套基因普遍存在于从昆虫到人的基因组中，是决定机体左右对称布局形成的最基本因素。

［秀丽隐杆线虫］nematode，Caenorhaditiselegans特点:1)通身透明，长不过1mm2）身体中所有细胞能被逐个盘点并各归其类幼虫:556个体细胞,2个原始生殖细胞成虫:雌雄同体成虫:959个体细胞,2000个生殖细胞雄性成虫(偶见）:1031个体细胞，1000个生殖细胞3）生命周期短,从生到死仅为三天半，使得不间断地观察并追踪每个细胞的演变成为可能4)把线虫浸泡到含有核酸的溶液中可实现基因导入［酵母］特点：1)是单细胞生物，可在基本培养基上生长，可通过改变物理或化学环境完全控制其生长2）在单倍体和二倍体的状态下均可生长，并可在实验条件下控制单倍体和二倍体之间的相互转换,这对其基因功能的研究十分有利3)有将近31%编码蛋白质的基因或ORF与哺乳动物编码蛋白质的基因有高度的同源性[斑马鱼]zebrafish和［非洲爪蟾]southAfricanclawedtoad是目前最常用的两种模式低等脊椎动物斑马鱼特点：1）产卵多,繁殖迅速2）胚胎通体透明,是进行胚胎发育机理和基因组研究的好材料非洲爪蟾特点:1)卵母细胞体积大，数量多,易于显微操作，还可制成具有生物活性的无细胞体系，易于生化分析，在卵母细胞减数分裂机理研究中有重要作用[小鼠］mouse17世纪开始用于解剖学和动物实验，经长期人工饲养选择培育，已育成千余个独立的远交群和近交系,是生物医学研究中广泛使用的模式生物,是当今世界上研究最详尽的哺乳类实验动物。

遗传学模式生物遗传学模式生物是指在遗传学研究中起到模板作用的生物材料。

这些模式生物因其易培养、繁殖周期短、基因组较小、基因功能研究比较方便等特点，成为了基因遗传研究的主要研究对象。

下面我们将介绍几种经典的遗传学模式生物。

一、果蝇（Drosophila melanogaster）果蝇是最常见的遗传学模式生物之一，于1910年被孟德尔·摩根利用其眼色变异分离得到。

果蝇体形小，易于培养，其全基因组已经被测序，且存在大量研究成果和遗传工具，成为遗传学、发育生物学和神经科学等领域的重要研究对象。

尤其是因其生殖周期短，且交配能力强，可以快速进行杂交试验，使果蝇成为遗传分析中的经典模式生物。

二、酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）酵母菌是一种单细胞真菌，因其生长迅速，培养容易，生殖周期短且易于遗传操作，故常被用于遗传学研究。

此外，酵母菌还被用于研究细胞增殖、细胞周期、基因表达、DNA修复等方面。

酵母菌基因组简单，且存在基因交换、基因敲除等遗传工具，为基因功能研究提供了重要平台。

拟南芥是作为植物学研究的器材而广为使用的植物模式生物。

拟南芥的基因组超过1亿碱基对，具有复杂的基因组结构和基因功能网络。

其短而精简的生长和生殖周期，揭示了生长和发育的分子机制。

同时，拟南芥还较为适合进行基因敲除和转基因实验，对于研究基因信号传递、细胞增殖及各种生物发育过程等，都有重要作用。

线虫是一种透明的微小生物，由于其简单而固定的神经系统、短的生命周期、清晰的细胞发育图像等特点，已成为研究神经科学、发育生物学、遗传学等问题的著名模式生物。

线虫基因组大小适中，缺乏组蛋白修饰，遗传稳定性高且存在基因的绝对性表达和完整的遗传工具，为遗传和发育的研究提供了重要手段。

五、小鼠（Mus musculus）小鼠因为其与人类基因组相似度较高，其常常被用于疾病模型的构建和基因功能研究。

鼠类基因组已经被完整测序，此外，小鼠还包括了许多基因敲除、转基因技术和DNA克隆等遗传工具，可用于探索小型RNA调节、遗传重组、细胞信号传递等生命科学中的重要问题。

模式生物的遗传学研究及其意义现代遗传学研究领域中，模式生物是一个极为重要的概念。

模式生物指具有一定性状并且寿命较短的生物，包括果蝇、小鼠、斑马鱼等。

这些生物具有大量的遗传学研究资源和研究成果，被广泛应用于遗传学、细胞生物学、发育生物学等领域。

本文将介绍模式生物的遗传学研究及其意义，探讨其对基础研究、医学和工程技术等领域的影响。

一、模式生物的基础研究应用模式生物因其具有优良的生物学性状而被广泛应用于基础研究。

例如果蝇（Drosophila melanogaster）被用来研究基因的表达和细胞分化，小鼠（Mus musculus）被用来研究发育、免疫系统和人类遗传疾病。

此外，斑马鱼（Danio rerio）因其胚胎发育透明而被用来研究神经发育和肌肉研究。

通过模式生物的研究，我们可以更好地了解生物学的本质，如生物进化、生物多样性和疾病发生机理等。

除此之外，模式生物的研究也为药物发现和诊断开发提供了重要的研究平台。

例如，绿色荧光蛋白（GFP）被运用于药物筛选、代谢物传递、分子图像学、肿瘤诊断等多个领域。

二、模式生物在医学研究中的应用模式生物在医学研究中的应用有多个方面。

例如，小鼠、斑马鱼、果蝇等模式生物已被广泛应用于医学研究，例如肝癌、血液肿瘤和先天性疾病等。

由于这些模式生物在基因和细胞水平的相似性，它们可以为我们解释复杂的生理和病理情况、了解基因与环境因素的相互作用，发掘更多的途径和方法来预防和治疗疾病。

通过基因编辑工具对模式生物进行基因改造，人们也可以研究特定基因对疾病发生和发展的机制，例如研究BRCA1和BRCA2基因突变对乳腺癌的影响。

三、模式生物在工程技术研究中的应用模式生物在工程技术研究中也有广泛应用。

例如，由于小鼠和斑马鱼的生长率较高、繁殖周期短以及胚胎透明等独特特点，它们成为建立血管网、神经细胞跨越和组织再生等模型的理想动物。

此外，果蝇的视觉系统和附肢等发育模型，也为工程技术研究提供了启发，并衍生出了多个技术转化，并有望在未来的生物感知和控制技术达到重大的应用。

遗传与发育学中的模式生物及其应用遗传和发育学是两个相互关联的领域，通过研究模式生物的基因和发育过程，我们可以更好地理解生物的发育和进化。

在遗传和发育学领域，有许多经典的模式生物，如果蝇、线虫和拟南芥等，这些生物一直是生物学家们的研究对象。

1. 果蝇果蝇是遗传学和发育生物学领域的经典模式生物之一。

在遗传学领域，果蝇的遗传性状非常容易识别和遗传分析，因此成为了基因遗传和表观遗传等领域的重要研究对象。

在发育生物学领域，果蝇胚胎发育过程非常快速而精确，每个胚胎细胞的发育轨迹都能清晰追踪。

因此，果蝇也成为了探究基础细胞生物学和发育机制的关键生物模型。

2. 线虫线虫是另一个常用的模式生物。

线虫具有固定的细胞数和分化过程，从而成为了研究细胞命运和细胞分化过程的理想对象。

此外，线虫还是一种重要的神经生物学模型，因为它的神经系统相对简单，易于研究。

研究人员利用线虫模型发现了一些重要的神经生物学特征和与疾病相关的基因。

3. 拟南芥拟南芥是研究植物生物学的重要模式生物之一。

它具有短而快速的生命周期，因此对于研究植物生物学领域追求高通量的研究具有很大的帮助。

此外，拟南芥的基因组测序已经完成，为研究其基因功能和进化等方面提供了很多便利条件。

因此，研究者们可以通过拟南芥模型更好地理解植物的发育和适应。

应用：模式生物不仅在科学研究领域发挥着重要作用，还有很多潜在应用。

1. 疾病研究利用模式生物模型进行疾病研究已成为一种常用方法。

通过研究动物模型的基因或功能异常情况，人们可以更好地理解疾病的发生机制和治疗方法。

2. 农业研究在农业研究领域，模式生物可以被用作开发新的作物品种和改进现有的品种。

例如，通过研究拟南芥，人们可以更好地了解植物对环境压力的适应机制，进而开发出更具适应性的农作物品种。

3. 生物工程技术模式生物不仅可以被用作基础生物学研究，还可以被用于生物工程技术中。

例如，研究者们可以利用果蝇模型研究分子生物学领域的相关问题，例如基因编辑等技术。

生物是从共同祖先演化而来的，所以对生命活动有重要功能的基因在进化上是保守的，也就是说，这些基因的结构和功能，在低等生物和高等生物中是相似的。

因此，可以用比较容易研究的生物作为模型来研究其基因的结构和生物学功能，由此获得的信息可以使用于其他比较难以研究的生物，特别是推测相似的人体基因的功能。

处于进化阶梯不同位置的模式生物，在发育生物学研究中各有其优缺点，但都具备一些共同特征：1）其生理特征能够代表生物界的某一大类群；2）容易获得并易于在实验室内饲养、繁殖；3）世代短、子代多、遗传背景清楚；4）容易进行实验操作，特别是遗传学分析。

生物学家通过对选定的生物物种进行科学研究，用于揭示某种具有普遍规律的生命现象，此时，这种被选定的生物物种就是模式生物。

华美广杆线虫(Caenorhabditis elegans)华美广杆线虫(以下简称线虫)，是一种长为1nl／n，直径70 m的线形动物自由生活在土壤中，以细菌为食，它与寄生于人类肠道内的蛔虫、钩虫和蛲虫同属于线虫类。

作为发育模式生物，线虫的优点主要表现在：①生命周期短(一般为3～4天)，胚胎发育速度快(在培养温度为25℃时，胚胎发育期为12小时)，便于不问断跟踪观察每个细胞的演变。

②可用培养皿进行实验室内培养，便于遗传突变筛选，并可冷冻保存，常温下复苏后继续研究。

③个体小，只要把线虫浸泡到含有核酸的溶液中，就可以实现基因导入。

④体细胞数量少，通体透明，便于观察单个细胞的分裂和分化过程，并可观察发育过程的细胞凋亡现象。

⑤雌雄同体和雄性个体两种生物型。

雌雄同体自体受精的结果可产生高度纯合的基因型，后代多为雌雄同体，仅有约0．2％的雄性个体。

雄性个体可与雌雄同体个体交配产生后代，从而增加基因重组和新等位基因引入的机会。

⑥基因组相对较小，组成相对简单基因组测序已在1998年完成，共包含19 099个编码蛋白的基因，成为第一个基因组被完全测序的多细胞动物。

⑦能观察到种质颗粒的传递及生殖细胞的发生过程，即胚胎发育细胞分裂时，种质颗粒不对称分配。

拟南芥的分子遗传学研究领域走向拟南芥（Arabidopsis thaliana）作为一种普遍应用于基础生物学研究的模式生物，自20世纪80年代以来已成为植物分子遗传学和分子生物学的典型研究对象之一。

拟南芥具有许多优点，如短育种周期、小型体型、全基因组序列可获得性等，这些优点使得它成为了研究植物基因功能、表达和调控的重要模式生物。

分子遗传学是研究基因分子结构和基因功能遗传规律的一门学科，综合了分子生物学和遗传学的理论和实验方法，其中拟南芥的分子遗传学研究对于揭示植物基因功能、生长发育和适应环境等方面的机制具有重要意义，目前已成为分子遗传学研究中不可或缺的一部分。

拟南芥基因组学研究为了更好地开展拟南芥分子遗传学研究，1986年，瑞典威冈研究所开始开展拟南芥基因组学研究，1996年，该研究团队完成了拟南芥基因组序列的初步构建，这对于进一步开展拟南芥分子遗传学研究奠定了基础。

拟南芥的全基因组属于典型的高度拟合的基因组，最近研究表明拟南芥的基因组包含约 2.85万个编码基因，其中66.7%基因具有至少两个可变剪接变体。

这些基因编码不同功能的蛋白质，包括结构蛋白质、代谢酶、转录因子等。

拟南芥转录因子家族拟南芥转录因子是调控基因表达的关键因子，其中有许多家族的转录因子与植物的生长发育、适应环境和响应外界刺激等方面密切相关。

拟南芥转录因子家族已经进行过广泛的研究，已知有超过80个转录因子家族。

其中，AP2/EREBP、MYB、WRKY和NAC转录因子家族在植物逆境适应中起着重要的作用。

其中，AP2/EREBP转录因子家族包括AP2、ERF、RAV和DREB等亚家族，这些基因在干旱、高盐、低温等胁迫条件下被激活，促进植物的生长发育和逆境适应。

NAC转录因子家族的控制范围和生物学功能极其广泛，参与了植物形态发生、生长发育和逆境适应等众多生物学过程。

WRKY和MYB转录因子家族则在植物响应逆境和激素信号中发挥着重要的作用。