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秀丽隐杆线虫综述

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秀丽隐杆线虫综述

摘 要：随着生命科学研究的不断深入，模式生物的重要性也在不断的体现出来，秀丽隐杆线虫就是其中一种非常重要的生物。对秀丽隐杆线虫的特征、研究进展及未来发展方向进行简要的综述。
关键词：秀丽隐杆线虫；研究；前景

在20世纪60年代中期S.Brenner为了研究动物的发育和神经，领先选择了以秀丽隐杆线虫为研究的实验动物[1]。现今，秀丽隐杆线虫已经成为当今生物学家研究细胞代谢与细胞生长、分化、衰老、凋亡等生命活动的协同与调节机制的重要模式生物之一。

1.秀丽隐杆线虫的生物学特征

在1998年作为人类基因组测序的一个项目，秀丽隐杆线虫的全部序列完成测定，基因组序列全长9.7×104kb，大约编码19000个基因，其中约有40%的基因与人类的相似[2]。其成虫体长约为1mm，由959个体细胞组成。其胚胎发育过程中的细胞分裂分化以及细胞的的衰老凋亡都具有高度的程序性，便于对其进行遗传学的分析。由于上述原因，秀丽隐杆线虫已经成为现代发育遗传学、遗传学、细胞生物学研究的重要模式生物。为人类认识细胞打开了一扇新的大门。
秀丽隐杆线虫在性成熟之后能够产下三百到三百五十左右的各种各样表型的幼虫。从卵到成虫只有3.5d，寿命约2~3周，非常适合实验室进行生物学研究。在发育过程中，秀丽隐杆线虫共生成1090个细胞，其中131个将会死亡，所以，野生型秀丽隐杆线虫成虫有959个细胞， 并且每个细胞的位置固定不变。秀丽隐杆线虫有5对常染色体和1 对性染色体。它有两种性别：雌雄同体和雄性。雌雄同体可以自我繁殖，也可以与雄性交配繁殖。自我繁殖的大多是雌雄同体，与雄性交配的后代，50%是雌雄同体，50%是雄性。可以人为控制繁殖方式，获得理想表型。秀丽隐杆线虫的突变体非常之多，很多突变体表现出的性状在显微镜下都是清晰易见的。秀丽隐杆线虫低温冷冻保存的技术，可以将大量野生型、突变型的秀丽隐杆线虫品系保存起来[3]。1988 年，人们对秀丽隐杆线虫每个细胞的起源已经完全清楚，使得在多细胞生命体内研究一个完整无缺的单个细胞的发育和形态成为现实， 对确定基因如何影响细胞的发育提供了一个重要的研究工具[4]。这些生物学特征，都为生物学家研究提供了极大地方便，也让秀丽隐杆线虫发挥出了它极大的生物学意义。也为后续的许多研究和发现打下了夯实的基础。

2.秀丽隐杆线虫的相关研究与应用
2.1 教学中的应用
研究秀丽隐杆线虫基因功能时，可以将绿色荧光蛋白作为报告基因与目的基因融合，导入到线虫体内，通过在显微镜下观察绿色荧光蛋白发出的荧光，可以推断与之紧密相连的目的基因表达的时间、表达的部位和表达数量的多少，用在教学中，非常直观[5]。秀丽隐杆线虫运动的多样性，可以培养学生对生物的观察能力。秀丽隐杆线虫的味觉、嗅觉、对光线和温度的反应，可以成为学生研究行为学优秀的实验有机体。在秀丽隐杆线虫身上，很容易获得理想的突变性状。如，运动缺陷的秀丽隐杆线虫，可以被用作肌肉生理学教学，或让学生理解突变怎样影响线虫的表型。很多诱变剂（如，BCD）可以用来诱发秀丽隐杆线虫突变，获得理想的突变体，用于遗传学教学。
2.2研究上的应用
2.2.1 秀丽隐杆线虫为研究程序性细胞死亡奠定了重要基础
在秀丽隐杆线虫身上，Horvitz等首次发现了基因调控的程序性细胞死亡的存在。Horvitz 等确认了最早期的两个真正的“死亡基因”ced-3和ced-4，并指出功能性的ced-3和ced-4基因是发生细胞死亡的前提。[6,7]此后，他们提出，另一个基因;ced-9与ced-3和ced-4相互作用防止细胞死亡，发现启动或促进细胞死亡的基因和抑制细胞死亡的基因相互作用精确的调控着细胞发育的进程。还发现线粒体也是调节程序性细胞死亡的关键所在，控制程序性细胞死亡的基因编码的蛋白质，通过调节线粒体膜的通透性来决定细胞死亡的程序.Horvitz等的发现为确认人类基因组中存在的具有相似功能的相关基因提供了重要依据。现在知道的秀丽隐杆线虫中大多数参与程序性细胞死亡的基因，在人类基因组中都有其相对应的基因[4]。由于真核生物的统一性，阐明了秀丽隐杆线虫的细胞程序性死亡，那么也意味着阐明了整个真核生物界的细胞程序性死亡机制。这种由相对简单的生物上的研究而得出可应用于大部分生物甚至是全部生物的实验，广泛存在于所有的科学探索之路上。
2.2.2 探究外源基因在真核生物体内的表达
采用PCR 方法克隆了秀丽隐杆线虫特异性表达Act-1 启动子基因, 构建了绿色荧光蛋白表达载体, 并通过电穿孔法转化秀丽隐杆线虫, 探讨外源基因在真核生物体内的表达。与基因枪法相比较, 电穿孔具有快速有效、对寄生虫损伤小的特点。本研究首次使用电穿孔技术将质粒DNA 导入秀丽隐杆线虫体内并获得表达, 为转基因线虫的研究提供了重要的参考资料, 为下一步特定基因的高效正确表达研究和稳定遗传的转基因秀丽隐杆线虫品系并使之成为高效的生物反应器奠定了良好的基础。[8]
2.2.3 在药物筛选中的作用
秀丽隐杆线虫从L4期幼虫到成虫死亡只有2-3周的时间，生命周期短，使其成为抗衰老药物筛选的理想动物[9]。Moy等[10]首次用粪肠球菌感染秀丽隐杆线虫，建立了体内抗菌药物筛选方法，与体外抗菌筛选方法相比存在下列优点：能发现具有抗菌活性的前药；发现降低细菌毒力或感染性的化合物；发现能抑制细菌体内繁殖的化合物；发现增强免疫活性的化合物。此外，还能同时评价被筛化合物的毒性，并排除药代动力学特征较差的化合物。
2.2.4 衰老机制的研究
研究表明胰岛素/ 胰岛素样生长因子-1 信号通路、自噬、线粒体呼吸链/ATP 合成体系和进食限制能延缓线虫衰老[11]。
2.2.5在医药学领域的应用
据人类孟德尔遗传资料库在线 (OMIM) 的最新统计数据 (截至2008-10-03), 疾病症状明确、致病基因已锁定的人类遗传型疾病共有2 397 种。线虫信息库 (wormbase) 中收录的人类遗传疾病同源基因(orthologue) 至少有809 个。从理论上讲, 只要人类疾病的靶蛋白或调控途径是物种间保守的, 就可能利用模式生物来进行研究[12]。基因以及许多重要的信号传导途径从人到线虫都高度保守, 如RAS 信号途径、TGF-β 信号途径、Notch信号途径、Wnt 信号途径、胰岛素信号途径等。信号传导一旦有缺陷, 引起多种疾病, 包括癌症[13-15]。

3.秀丽隐杆线虫研究的前景
由易到难，最重要的就是找到那个简单的点，从中突破，从而破解更深奥的问题。生物学研究中选用的秀丽隐杆线虫，就体现了这一点。作为一种培养简易、观察简便、基因组序列明了、细胞定位清晰、神经系统构造简单的动物，秀丽隐杆线虫已经让人类发现了器官发育及程序性细胞死亡基因调控机制，为研究神经发育和记忆形成打下基础、让药物筛选更加高效等一系列的突出贡献。
秀丽隐杆线虫的神经递质、突触蛋白、离子通道等基本组成与人类具有高度的保守性，所以在神经科学上具有很大的研究意义。神经科学是一项非常复杂的学科，如果在哺乳动物上开始试验，势必会相当耗费时间与精力，而且不一定会取得显著地成果。但是，如果先弄清简单生物神经系统的构造及其记忆形成方式，那么继续研究哺乳动物甚至是人类的的神经系统就会势如破竹了。神经科学将会影响到新世纪人类的生活方式以及对记忆的理解机制。结合医学，神经科学可以帮助人类解决困扰人类已久的阿尔兹海默症以及一系列的复杂的神经系统异常引起的疾病；还可以帮助人类改善记忆，减少因健忘造成的损失；还可以提升记忆力，记住更多的知识，为文明发展做出更多贡献；理解思维的形成方式，可以最大限度的提升人类智力，创造出更多的物质和精神财富，让人类对世界的认知提升一个新的境界。结合计算机科学，神经科学可以让计算机辅助人类思考记忆，在未来，将记忆上传到计算机上是完全有可能的。如果计算机系统和人脑完美连接，那么各自取长补短，那么电脑不再是个只能进行复杂运算的机器，人也不是一个有思维能力但反应速度缓慢的有机体，而是形成一个无机与有机相辅相成的结合体，那么在未来互联网将会变得更加“人性化”，人工智能会变得更加智能。如果关于秀丽隐杆线虫在神经方面的研究能够更加的完备的话，那么哺乳动物神经科学的蓬勃发展就指日可待了。那将会是人类的又一个福音。
秀丽隐杆线虫由于其自身易繁殖易饲养、性状易于观察、突变体易制备的特点，成为遗传学实验和药物试验的优良动物。在秀丽隐杆线虫上已经制备了许多突变体来研究细胞的生命活动，还有对衰老分子机制的研究、细胞程序性死亡的研究、药物相关的研究，这些对今后人类的发展都会息息相关。随着人类生活水平的提高，人们也不再是为抵抗疾病而生存。对衰老分子机制的研究，能够让人类厘清细胞甚至个体衰老的原因，最大限度的延长人类寿命，让每个人都能最大限度的发挥出个人的价值。而用作药物筛选，可以提高筛选化合物的速度，更快更高效的获得目标产物。每早一秒钟推出一种新药，就能更早的减少无数病人的痛苦。
秀丽隐杆线虫的多项结构特点为很多研究提供了很好的实验材料，或许以后研究人员们会发现秀丽隐杆线虫在生命科学上的更多应用，在秀丽隐杆线虫上发现更多的生命奥秘。

参考文献
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