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7个多细胞生物作为生物技术研究模型的例子

几乎所有生物技术的进步都是因为这些多细胞生物而成为可能的,这些多细胞生物也被称为模式生物或只是“模型”。这些是用于研究各种生物现象,尤其是研究各种人类疾病的非人类物种。

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什么是模型生物?

模式生物的特征

例子

什么是模型生物?

研究模式生物以了解人类的各种生物过程。由于伦理问题,人类不能被用作模式生物。所有生物的共同血统使研究人类的代谢和发育途径成为可能。

模型生物

模式生物的特征

作为研究模型,生物体必须具有以下特征:

  • 它应该体积小,在实验室条件下易于管理。

  • 模式生物应该具有大量繁殖的能力。

  • 模式生物的较短世代时间有助于研究人员同时研究不同世代。世代时间是个体出生到其后代出生之间的时间段;换句话说,我们可以说世代时间是两个连续世代之间的时间段。

  • 模式生物和人类之间某些基因的相似性有助于找出与该特定基因相关的特征或疾病。

  • 生命周期短的有机体是首选,它们的生长/营养需求应该最低。

  • 模式生物必须对其全基因组进行测序,并且对人类无害。

例子

一些用作研究模型的多细胞生物的例子有:

  • 果蝇(黑腹果蝇)

  • 线虫(秀丽隐杆线虫)

  • 西部爪蛙(非洲爪蟾)

  • 老鼠(Mus musculus)

  • 斑马鱼(斑马鱼)

  • 豚鼠 (Cavia porcellus)

1. 黑腹果蝇(果蝇)

你一定见过小苍蝇坐在腐烂的水果和蔬菜上;这些苍蝇被称为黑腹果蝇(果蝇)。这些果蝇现在已成为研究遗传学的流行无脊椎动物模型。许多对果蝇的研究表明,遗传物质存在于染色体中。

为什么黑腹果蝇成为理想的模式生物?

  • 它的生命周期很短,生成时间为 12 天。

  • 它们的小尺寸和最小的生长要求使科学家能够在小型实验室中轻松培养它们。

  • 在其一生中,雌性果蝇每天可以产下多达 50 个卵。

  • 它们具有含有碳水化合物和蛋白质(酵母提取物)的饮食的最低营养需求。

  • 他们的整个基因组已经被测序,他们只有4对染色体。基因可以很容易地被操纵,这使科学家能够了解特定基因的作用;这使它们成为研究遗传学的完美模型。

  • 果蝇和人类之间大约有 60% 的基因相似性。许多常见基因与癌症和其他遗传疾病有关。

2. 秀丽隐杆线虫(线虫)

秀丽隐杆线虫是一种长约1毫米的透明体的线虫。它有一个不分节的圆柱形身体,有一个假结肠(pseudocoloem),它缺乏呼吸和循环系统。秀丽隐杆线虫是第一个在 1980 年底完成全基因组图谱的多细胞生物。秀丽隐杆线虫有两种性别:雄性 (XO) 和雌雄同体 (XX)。这些雌雄同体的蠕虫具有雄性和雌性性器官(卵睾)。受精发生在内部。

为什么秀丽隐杆线虫被认为是一种很好的模式生物?

  • 它有一个透明的身体,使研究人员能够密切监测不同发展阶段发生的变化。

  • C. elegans,就像人类一样,对他们喜欢和不喜欢的事物做出反应。这使其成为人类行为研究的完美模型。

  • 2-3 周的短生命周期有助于在短时间内监测发育阶段。

  • C. elegans有两种性别;XO雄性和XX雌性雌雄同体。这些雌雄同体的雌性能够自我受精,并能产生数百个后代。这种自我受精的能力有助于将其用作模式生物,因为它可以自我受精并产生大量后代,并且不依赖雄性受精。

  • 秀丽隐杆线虫体型非常小,营养需求最低。它们以细菌为食,因此可以通过使它们以大肠杆菌等细菌为食,在实验室中轻松生长。

  • C. elegans 可以在 80°C 的冷冻状态下储存,然后在需要时解冻以进行进一步研究。

  • 它们在神经系统疾病和心脏和肾脏疾病等研究中充当潜在的模型生物。

  • 在有利的条件下,它们每天可以生产 1,000 多个鸡蛋。

使用秀丽隐杆线虫作为模式生物进行的研究示例

  • 与年龄相关的神经系统疾病,如帕金森病,是由于 α-突触核蛋白以路易体形式的积累而导致多巴胺能神经元的损失。α-突触核蛋白是一种有助于神经传递的神经元蛋白,存在于大脑、肌肉和其他组织中。在 PD 中,α 突触核蛋白的错误折叠会导致团块的形成,最终损害脑细胞。秀丽隐杆线虫的基因组没有 α-突触核蛋白的直系同源物;因此,线虫可以用作模型生物来研究 α-突触核蛋白变体在秀丽隐杆线虫中过表达的影响。最初,人们认为 α-突触核蛋白以路易体的形式积累会导致神经元损伤。然而,一项关于秀丽隐杆线虫的研究表明,可溶性寡聚体诱导神经毒性,而不是 α-突触核蛋白的不溶性聚集体。

  • 线粒体,也被称为细胞的发电站,以 ATP 分子的形式产生能量。线粒体功能障碍会导致许多严重的疾病,如 Leigh 综合征、代谢紊乱和线粒体肌病。线虫有许多导致人类线粒体疾病的直系同源基因。研究发现,在秀丽隐杆线虫中抑制这些基因会导致许多发育缺陷。

  • 用 S. typhimurium 感染 C. elegans 表明 p38MAPK 信号传导参与了针对细菌的先天免疫反应。

3. 老鼠(Mus musculus)

在实验室中用于研究目的的小鼠称为实验室大鼠或实验室大鼠。实验室大鼠是 Mus musculus 的 3 个亚种的杂交体:Mus musculus domesticus、Mus musculus musculus 和 Mus musculus casteaneous。这些实验室大鼠有白色(白化小鼠)或黑色皮毛,而野生小鼠有棕色皮毛。与野生小鼠相比,实验室大鼠的攻击性更小,体重也更轻。

使用小鼠作为模式生物的优势

  • 它的整个基因组已被测序,由于与人类基因组有 85% 的相似性,M. musculus(小鼠)通常被认为是完美的模式生物。

  • 已经对小鼠进行了许多研究,例如神经退行性疾病、癌症研究、衰老等。

  • 它们的妊娠期很短,大约 3 周,一次可以产下 3 到 10 个后代。

转基因小鼠或转基因小鼠

研究人员可以在发育过程的某些阶段突变或改变小鼠的某些基因。这有助于得出关于特定基因功能的结论;这些老鼠被称为转基因老鼠或转基因老鼠。

什么是裸鼠?

裸鼠是没有胸腺的转基因或转基因品系。我们知道胸腺负责 T 细胞的产生和成熟,这是细胞介导免疫的重要组成部分。由于缺乏 T 细胞,这会导致免疫力受损。它们是通过破坏 FOXN1 基因在实验室中产生的。FOXN1 基因负责人类头发、指甲和免疫力的发育。它们在实验室中用于深入了解免疫反应、癌症和艾滋病等主题。

4.斑马鱼(斑马鱼)

斑马鱼(斑马鱼)是一种常见于南亚的淡水鱼,在研究中被广泛用作脊椎动物模式生物。它长约2.5厘米至4厘米。雄性比雌性更苗条、更瘦。它们常见于溪流、运河、池塘和稻田中。它们是杂食性动物,以昆虫幼虫、浮游植物、蠕虫等为食。

使斑马鱼成为研究的重要模型的因素是:

  • 自 1960 年代以来,斑马鱼 (Danio rerio) 一直被用作模式生物。他们的全基因组已被测序;这使研究人员能够通过在其中产生突变来研究某些基因的功能。

  • 斑马鱼体型较小,即使在预算较低的小型实验室中也很容易处理。

  • 它们需要较少的维护,并且每周可以产生大量后代,这使它们成为药物筛选的宝贵模型。

  • 透明的斑马鱼幼虫有助于研究内部结构的发育。

  • 在斑马鱼中,受精发生在雌性体外(体外受精),这有助于研究人员研究和监测发育的早期阶段。

  • 斑马鱼已被用于研究某些疾病(如癌症、肌肉萎缩症等)背后的生物学过程。

  • 斑马鱼和人类之间有 70% 的基因相似性,使其成为研究人类疾病的完美模型。

  • 斑马鱼可以在几周内修复受损的心肌。科学家们正在探索斑马鱼的这种独特能力,并试图找出造成这种情况的具体因素。如果我们能找到修复人类心脏的方法,这将是一项伟大的成就。

  • 斑马鱼拥有参与代谢过程的所有器官,因此,它们可用于研究人类许多与代谢相关的疾病。以斑马鱼为动物模型,对非酒精性脂肪肝、肝病和 II 型糖尿病等疾病进行了研究。

5.拟南芥(thale cress)

A. thaliana (thale cress) 是一种维管植物,有白色的花朵。它被认为是植物和农业科学中流行的模式生物。它是第一个绘制全基因组图谱的植物,这使其成为了解植物分子生物学、开花和发育的流行模型。

使用 thale cress 作为模式生物的优势

  • 拟南芥基因组较小(~135Mb),便于遗传作图,而且由于其体积小,易于在小空间内培养,并产生大量种子。

  • 它已被用于了解植物与其致病病原体之间的相互作用。

  • 它的生成时间短,生长要求有限。他们很容易照顾。

  • A. 拟南芥可作为农杆菌的转化载体,因此可用于植物遗传学。它有助于生产抗病原体作物。

  • 开发速度非常快,只需 5-6 周。

  • 通过用诱变化学物质处理种子或将它们保持在某些辐射下,可以很容易地进行突变。

6. 非洲爪蟾(西爪蛙)

非洲爪蟾,又称西爪蛙,是蛙类的一种。它的自然栖息地包括河流、沼泽、淡水湖泊、亚热带或热带潮湿的森林等。热带百合长约5厘米,雌性比雄性大20%。他们的眼睛位于头顶的高处。它的爪子完全结合在一起。背面呈深褐色,带有黑色灰色小斑点。它以蚯蚓和昆虫幼虫为食,而蝌蚪则以浮游动物为食。X.tropicalis 已被用作研究脊椎动物早期发育的模型。

使用热带爪蟾作为模式生物的好处

  • 它的整个基因组已被测序,这使其成为研究脊椎动物遗传学和发育生物学的流行模式生物。

  • X.tropicalis 的世代时间很短,不到 5 个月。

  • X.tropicalis 的体型较小,因此它们不会占用太多空间,并且每次产卵可以产生大量的卵(最多 3000 个)。

  • 在实验室中,可以通过注射激素来人工诱导排卵。

  • 胚胎在外部发育,这有助于研究发育的所有阶段。可以通过将胚胎暴露于特定的化学物质来对胚胎进行操作。

  • 几天之内,卵子可以发育成透明的蝌蚪,这使得使用显微镜研究胚胎发育的不同阶段变得容易。

  • X.tropicalis 和人类一样是二倍体,因此,它已被用于研究比较遗传学、胚胎发育和细胞生物学。

7. 豚鼠(Cavia porcellus)

豚鼠是啮齿动物的一种。自17世纪以来,对豚鼠进行了各种研究。但现在,它们被老鼠和实验室老鼠所取代。许多研究,如肺结核和坏血病,都是使用豚鼠作为研究模型进行的。

使用豚鼠作为模式生物的研究示例

  • 豚鼠在生物学上与人类相似,这使它们成为营养研究、抗生素作用、结核病和白喉疫苗开发以及以豚鼠为动物模型发现维生素 C 等研究的完美模型生物。

  • 豚鼠模型已被用于研究结核病的发病机制。当豚鼠被结核分枝杆菌感染时,它们会像人类一样发展出原发性病变。

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