生命科学与人类疾病研究的重要模型——果蝇

黑腹果蝇(Drosophilamelanogaster)是生物学研究中最重要的模式生物之一,它在遗传的染色体理论建立中起到非常重要的作用。由于果蝇自身独特的优势,20世纪70年代以来,它又在发育生物学、神经科学、人类疾病研究等领域得到广泛应用,作出许多新的重要贡献。果蝇在神经退行性疾病研究中是非常有用的模型。可以预期,随着研究手段的丰富及科学的发展,果蝇将作为一种理想的模式生物在生物医学中发挥更大的作用。     

催生诺贝尔奖的昆虫——果蝇

果蝇是双翅目果蝇科果蝇属昆虫,用作模式生物的一般是常见的黑腹果蝇。果蝇在遗传与进化、胚胎发育、细胞生理等方面研究中是极为优良的模式动物。阐述了果蝇的特点和作为生物学研究材料的优势,以及由果蝇研究而产生的成果及实际意义。果蝇遗传物质结构相对简单,有大量的性状变异;摩尔根获得了诺贝尔奖,与那只"例外"的白眼果蝇和染色体不分离的"例外"现象息息相关。如今,在遗传学模式生物中,果蝇几乎成为研究遗传规律和遗传现象的头号选手。果蝇作为材料的研究几乎始终引领着生命科学,特别是遗传学和发育生物学的发展。     

生命科学研究中常用模式生物

模式生物是生命科学研究的重要材料,目前公认的用于生命科学研究的常见模式生物有噬菌体、大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠、拟南芥等.这8种常用模式生物对生命现象的揭密和人类疾病治疗的探索等都所做出了重大贡献,对其在生命科学研究中的历史轨迹、各自优势、技术手段、热点研究、发展前景等系统而又简要的了解,有助于具体而又生动地体察到模式生物在今天生命科学发展中的重要地位和推动生命科学及医学进步的不可替代的巨大潜力.     

果蝇胰岛素样肽8(Dilp8)的功能及作用机制

果蝇Drosophila作为一种模式生物,具有生长周期短、繁殖能力强和研究成本低等优点。而且果蝇有65%的基因与人类同源,特别是其遗传背景简单的特点,使其在生物生长发育研究、病理机制研究和基因表达调控等研究中发挥重要作用。目前在果蝇中已发现8种胰岛素样肽,即果蝇胰岛素样肽1-8(Drosophila insulin-like peptide 1-8, Dilp1-8),而对于果蝇胰岛素信号通路的研究主要集中在其调控机体生长发育和能量代谢的方面,这些功能主要通过Dilp1-7来发挥作用。对于Dilp8的功能及其发挥作用的分子机制知之甚少。本文总结了自Dilp8被发现以来,人们对于其功能的研究结果。Dilp8主要在幼虫成虫盘和成年雌果蝇的卵巢中表达,其主要作用是调节果蝇的组织生长和发育时间,使果蝇生长为具有相对固定体型和一定对称性的个体。当果蝇幼虫在生长过程中受到损伤时,Dilp8会通过延缓发育时间来缓解异常生长。Dilp8被激活后,在中枢神经系统与其受体富含亮氨酸重复序列的G蛋白偶联受体3(leucine-rich repeat-containing G protein-coupled receptor 3, Lgr3)特异结合,从而抑制蜕皮激素的合成来控制果蝇生长发育。有研究表明Lgr3与果蝇性别调控有关。在成年雌果蝇中,Dilp8的主要作用是调节排卵能力。此外,肿瘤源性的Dilp8与果蝇的食欲减退有关。Dilp8/Lgr3与人类INSL3/RXFP2高度同源。对于Dilp8发挥作用的分子机制,还需研究者的进一步探索。     

果蝇心脏发育研究三十年进展

果蝇(Drosophila melanogaster)作为最早用于研究心脏发育基因调控的模式生物,已经走过三十年的历程。果蝇心脏发育过程经历了胚胎期、幼虫期和成虫期三大阶段。在胚胎早期, Tinman、Dorsocross和Pannier等基因是关键的调控因子。Tinman参与最早的心脏前体细胞分化和心脏细胞形成,而Dorsocross和Pannier则影响心脏前体细胞的定向分化和心脏管腔的形成。进入胚胎晚期和幼虫期,果蝇的心管经历进一步的发展和重塑,该过程主要受到转录因子Hand、Mef2以及Hox基因家族的调控。在成虫期, Hox基因家族和Tinman依旧发挥重要作用。虽然果蝇心脏与脊椎动物成熟心脏存在形态上的差异,但两者心脏的早期发育过程以及调控基因和信号通路都有保守性。本文综述了果蝇心脏发育基因调控研究的三十年进展以及利用果蝇模型研究人类心脏相关疾病的潜在希望。     

果蝇蛋白质组学研究进展

蛋白质组学旨在阐明基因组所表达的真正执行生命活动的全部蛋白质的表达规律和生物功能。随着人类基因组学计划的逐渐成熟,分子水平的实验技术不断发展,蛋白质组学的研究被提高到了前所未有的高度。果蝇是生命科学领域最为常用的一种模式生物,长期的系统研究也使果蝇的基因组成为至今注释最好的基因组之一,为功能基因组研究奠定了基础。但由于技术的限制,迄今有关果蝇蛋白质组学研究的报道尚不多见。近年来果蝇蛋白质组学的研究主要包括表达谱、修饰谱、比较蛋白质组学和疾病模型蛋白质组等四个方向,为进一步开展人类疾病临床蛋白质组学研究奠定了基础。     

利用黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）研究微量金属元素代谢

微量金属参与了生物体许多化学反应过程,同时也可作为蛋白质的辅基或辅因子起作用,对机体生长发育以及正常生物功能的维持具有重要作用;微量金属元素的代谢失衡与生物体许多疾病密切相关,如威尔森氏病、门克斯病、铁色素沉积、肠变性皮炎以及一些神经退行性疾病。黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）是遗传背景清楚、生活周期短、操作方便的模式生物,利用果蝇研究金属离子代谢以及金属离子代谢与疾病的联系具有独特的优势,近年来,随着果蝇基因组测序的完成以及许多转基因果蝇株的建立,果蝇也越来越多的用于金属离子代谢的研究。介绍了近年来果蝇在金属离子代谢研究领域的进展,以及其与神经退行性疾病关系研究上的一些应用。     

模拟昆虫视觉-行为抉择的强化学习模型

视觉信息用于行为抉择的过程是一个极其复杂的脑信息处理过程,昆虫或动物对外界环境的学习是以价值来控制的,并可影响其行为抉择,研究这一过程对揭示人类自身脑运行机制有重要意义.文章在郭爱克研究小组果蝇实验提供的生物依据基础上,提出了一种模拟果蝇视觉-行为抉择的神经网络模型.该模型引入了价值和基于价值的强化学习算法,应用于输入视觉图像的强化学习,以此建立果蝇脑内多巴胺和蘑菇体对于抉择判断的价值体系.模拟的结果表明,该模型可以模拟果蝇视觉信息的学习和行为抉择过程,其结果与生物实验相符,同时也为机器人视觉信息控制行为抉择的应用提供了基础.     

果蝇先天性免疫研究进展

果蝇是生命科学与人类疾病研究的重要模式生物,虽然不具有人类高度专一的获得性免疫,但也有对病原微生物感染作出快速有效反应的先天性免疫应答系统,主要包括体液免疫,细胞免疫和黑化反应。文章结合国外最新研究,详细介绍果蝇体液免疫中控制抗菌肽合成的Toll信号通路和Imd信号通路中涉及的蛋白及其相互作用,并对果蝇细胞免疫中的吞噬、包埋功能和黑化反应作简要阐述。研究表明,果蝇的Toll和Imd信号通路分别与人类的TLR4和TNRF-1信号通路存在着惊人的相似之处,说明果蝇与人类在免疫调控通路方面可能存在着共同的进化起源。     

模式生物研究

世界上公认的用于生命科学研究的常见模式生物有酵母、线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠、拟南芥等。当今,生命科学及医学的发展,模式生物发挥着重要作用。据统计,刊登在Nature、Science和Cell等重要杂志上的论文中,80％以上有关生命过程和机理的研究都是通过模式生物来进行的。本期《生命科学》以专题的形式,刊登了由国内从事模式生物研究专家撰写的介绍模式生物的文章。作者从不同角度,对不同模式生物在研究工作中的历史轨迹、各自优势、技术手段、热点课题、发展前景,以及对生命现象揭密和人类疾病治疗探索的重大贡献作了系统而又简要的介绍。从中,我们可以具体而又生动地体察到,模式生物在今天生命科学发展中的重要地位和推动生命科学及医学进步的不可替代的巨大潜力。改革开放以来,我国生命科学研究经历了“跟踪”、“接轨”和“融入主流领域”的过程,而用模式生物进行的研究则是主流研究领域的重要组成部分。只有通过在主流研究领域的参与、竞争、创新超越,才能提高我国生命科学研究水平,才能真正对世界生命科学的发展作出重大贡献。作为主流领域的模式生物研究,我国起步很晚,仅局限在很少数的实验室。因此,加强这方面的介绍,对于普及现代生命科学理念,大力推动模式生物研究领域的开展和学术交流,是十分重要和及时的。     

果蝇抗微生物肽基因的免疫诱导模式

果蝇作为一种模式昆虫,为研究昆虫和人类的先天免疫发挥了重要作用。目前对果蝇体内免疫诱导产生的抗微生物肽多基因家族在分子进化、抗菌功能的分子特征和免疫诱导表达的信号传递机制等方面的研究进展,进一步加深了人们对昆虫乃至其他动物和人类先天免疫模式的认识,为研究其他昆虫特别是作为主要农林害虫的鳞翅目昆虫的先天免疫机制发挥了重要作用。本文集中对黑腹果蝇Drosophila melanogaster抗微生物肽及其免疫模式的研究结果和最新进展进行了介绍,其中包括作者近几年的研究结果。     

斑马鱼血液肿瘤学的研究进展

斑马鱼已经成为当今人类遗传学和血液学研究的重要模式生物之一。文章介绍了斑马鱼造血系统的基本生物学特征, 并重点阐述了斑马鱼在血液肿瘤学领域的应用和研究概况, 显示了斑马鱼在血液肿瘤学的基础和临床研究方面均有着独特的应用前景, 文章对此进行了展望。     

果蝇肠道共生菌对宿主作用的研究进展

肠道共生菌是动物体内的重要组成部分,在宿主的生长发育和健康等方面发挥着重要作用,近年来已成为国内外的研究热点。果蝇作为研究肠道微生物菌群功能的优秀模型,在肠道共生菌与宿主关系研究方面已取得许多重要进展。在本文中,我们首先对果蝇肠道微生物的组成和特征作了总结,然后对果蝇肠道共生菌在其生长发育、营养与代谢、行为反应、寿命以及免疫与疾病方面的作用进行了综述,以期为研究人类肠道共生菌功能和肠道健康提供一定理论依据和新的思路。     

果蝇先天免疫分子机制研究进展

以果蝇为模式生物,在胚胎发育、基因表达调控、疾病发病机制以及昆虫先天免疫等方面的研究发挥了重要的作用。果蝇的先天免疫系统包括细胞免疫和体液免疫,当其遭受细菌、真菌和病毒等病原体攻击时,果蝇能通过细胞吞噬、集结、包囊作用以及产生抗菌肽等方式来清除入侵的微生物。结合近年来果蝇先天性免疫分子机制的研究进展,对其在病原体识别、信号转导途径及效应机制方面进行综述,为深入研究家蚕、蜜蜂等经济昆虫的免疫机制以及提高它们的经济效益提供参考。     

“第一届灵长类动物模型学术论坛”在昆明成功举行

灵长类动物是人类的近亲,其组织结构、免疫、生理、代谢和生殖等方面与人类高度相似。作为人类的近亲,利用其创建的人类疾病模型,比其它模式动物能更好地复制人类传染性和非传染性疾病模型,并有效地模拟人类疾病的病理过程,使得其成为预临床实验研究人类疾病的最佳模式生物.同时,灵长类动物研究成果能直接转化为临床应用,更有效地预测新疫苗、新药和新诊断试     

“观察果蝇的生殖与发育”的实验教学

黑腹果蝇作为遗传学研究中重要的模式生物,其科研价值一直备受瞩目。目前中学生物学实验教学中少有利用果蝇作为实验材料的案例,其主要原因是:果蝇培养、果蝇相关实验的具体操作在中学教材中未提供成熟的、适宜在中学实验室中操作的方法。针对上述问题,探索出了在中学实验室中进行果蝇饲养的条件,以及适合中学生的果蝇成虫麻醉方法,使果蝇成为"观察昆虫的生殖和发育"实验中较为理想的昆虫材料之一。     

果蝇——打开生命科学之门的金钥匙

作为一种重要的模式生物,果蝇以其相对清晰的遗传学背景、丰富的表型特定、独特的发育特点而深受研究者青睐,为生命科学特别是遗传学和发育生物学的研究和发展提供了极大的方便。随着果蝇全基因组测序工作的完成,它在胚胎发育、基因表达调控、疾病发病机制等方面的研究中正在发挥更大的作用。     

果蝇热激蛋白的研究进展

热休克蛋白(heat shock proteins,HSPs)是生物体受到应激刺激时诱导产生的一组保守性蛋白,普遍存在于各种生物体中。近年来,果蝇Drosophila作为生命科学与人类疾病研究的重要模式生物,其热激蛋白的研究取得了许多新的进展。文章对果蝇热激蛋白的类别、热激蛋白基因的表达调控机制、热激蛋白的分子伴侣功能、调节细胞存亡和影响发育及寿命等相关生物学功能进行综述,并对热激蛋白在神经退行性疾病治疗中的应用前景作展望。     

中国斑马鱼研究发展历程及现状

斑马鱼作为重要的脊椎动物模式系统之一, 由于其多方面的优势, 在生命科学研究领域发挥着越来越重要的作用。目前, 斑马鱼已被广泛地用于发育生物学、分子生物学、细胞生物学、遗传学、神经生物学、肿瘤学、免疫学、海洋生物学、药物学、毒理与环保等诸多方面的研究, 一些重要的成果不断涌现, 为现代生命科学的发展做出了重要贡献。我国20世纪90年代后期引入斑马鱼模式系统, 此后研究队伍扩大很快, 有影响的研究成果不断涌现, 促进了多个学科的发展。文章重点综述了我国内地与香港地区在斑马鱼研究方面的发展历程以及所取得的代表性成果, 以期促进该模式系统更广泛地用于开展高水平研究。     

果蝇神经干细胞研究进展

中枢神经系统由数量庞大、类型多样的神经细胞和神经胶质细胞组成,它调节生物体各种生理活动以及学习、记忆和思维等认知功能。神经细胞和神经胶质细胞由神经干细胞产生,所以对神经干细胞的研究有十分重要的意义。果蝇作为一种经典模式生物,长期被用于神经干细胞增殖、分化、凋亡等方面的研究。本文阐述了果蝇神经干细胞的最新研究进展,包括神经干细胞的类型和起源,参与神经干细胞不对称分裂的关键蛋白质,神经干细胞的静息、激活和最终的分化或凋亡,以及神经元多样性产生的机制,希望对神经生物学的基础研究有所帮助。