秀丽线虫的研究进展.doc

秀丽线虫的研究进展摘要：秀丽线虫(Caenorhadits elegans)是研究动物遗传、个体发育及细胞生命活动的重要模式动物。近年来利用线虫这种模式生物已经在生命科学的许多领域取得了突破性的研究成果：信号转导、衰老、细胞凋亡、热应激反应、环境科学、性别决定、神经肌肉发育、细胞分化、神经分化诱导和行为认知等。关键词：秀丽线虫;衰老；细胞凋亡；环境科学；性别决定；神经分化诱导；行为认知导言：秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)在当代生命科学的发展过程中起着举足轻重的作用。近年来，随着人们对其的研究日益深人，秀丽隐杆线虫以其独特的优势成为生物学家借以了解诸多基本生命现象的优良。近年来，国际上以秀丽线虫为实验材料的生命科学研究取得了重要突破，分别在2002 年和2006 年两次获得诺贝尔生理医学奖。在国内，越来越多的科研人员开始将秀丽线虫应用于自己的研究领域。20 世纪60年代，分子遗传学的奠基人之一Brenner在和Crick等人一起确立了分子遗传学的中心法则以后，感到分子生物学的主要问题已经解决，生物学的未来应着眼于发育生物学和神经生物学等复杂问题的研究。Brenner 试图寻找一种比果蝇更简单的、具有神经细胞的多细胞生物来探索个体及神经发育的遗传调控机制。在经过了一系列的尝试后，他最终选择了秀丽线虫(C. elegans)为研究对象。在此之前，Nigon 和Dougherty等已经在秀丽线虫的营养生长和有性生殖等方面做了许多前期工作。1、线虫作为模式动物的优势线虫的饲养条件具有简单、廉价、易操作的特点，线虫成虫体长1mm,身体半透明,以大肠杆菌为食饵,从受精卵发育到成虫仅需不到四天时间。在自然状态下线虫是一种可以自我繁殖的雌雄同体生物,因此繁殖起来也很迅速,这种能自我繁殖的能力还非常有利于得到具有同一基因结构的纯合体线虫。另外,秀丽线虫还存在一种雄性个体,它不能自我繁殖,必须与雌雄同体的线虫交配才可繁衍后代。利用雄性个体,人们可以将突变基因从一种线虫转移到另一种线虫中去。线虫还可以像培养细胞一样保存在- 80。这一优势是果蝇和小鼠等模式生物所不具备的。秀丽线虫是第一个完成基因组测序的动物,它的约20 000个基因中有40%和人类基因具有同源性。同时,秀丽线虫还具有完备的发育和解剖学特征和复杂的遗传学特征。2、秀丽线虫的研究领域秀丽线虫的基因操作便捷,可十分方便地进行转基因、RNA干涉和突变体筛选等研究。近年来利用线虫这种模式生物已经在生命科学的许多领域取得了突破性的研究成果：信号转导、衰老、细胞凋亡、热应激反应、环境科学、性别决定、神经肌肉发育、细胞分化、神经分化诱导和行为认知等3、秀丽线虫的研究秀丽线虫目前已成为研究细胞凋亡、神经发育以及学习和记忆等多种复杂生命现象调控机的重要模式生物之一。3.1 秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)与低氧适应（细胞凋亡）持续低氧可在数分钟之内导致哺乳动物神经元和肌肉组织严重损伤,引发中风、心脏病等并伴随细胞死亡。而在无脊椎动物秀丽线虫的低氧应答通路和人类的相关通路之间具有高度的保守性,低氧也可引发细胞损伤和死亡,启动一系列相关反应,从而适应低氧环境并对更严重的缺氧损伤起保护作用。低氧能够引起秀丽线虫发生相应的生理和行为学变化,并可保护机体免受缺氧损伤。秀丽线虫的低氧诱导因子(H IF21)的恒定性调控通路和人类的相应通路之间具有高度保守性,因此秀丽线虫也已成为研究低氧应答调控通路进化保守性的重要工具之一。对于秀丽线虫而言,只要有充足的食物,即使氧浓度降到2%时也能够维持机体的正常代谢。当氧浓度低到1%时, 秀丽线虫的机体代谢率才会下降为正常的50% ,而此时秀丽线虫仍然能够发育和繁衍后代。当氧浓度在0. 25%到1%之间时,秀丽线虫的低氧应答通路被激活,在近乎无氧环境下进入休眠状态。秀丽线虫的这种适应能力可使其尽可能减少外界环境对机体的损害。目前也已发现0. 01% 0. 1%的氧浓度是秀丽线虫的致死浓度。缺氧是造成神经系统损伤的重要原因,临床上以缺血缺氧性脑损伤为主的脑血管疾病对于患者乃至整个社会带来极大负担,通过对秀丽线虫在低氧情况下的应答研究，将为了解人类心脑血管性疾病的发病机制和寻找新的治疗手段提供重要线索。3.2 秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)寿命的调控机制（衰亡）秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)是一种研究衰老调控机制的很好模型，秀丽线虫的衰老与新陈代谢的调控密切相关。大量的遗传学和基因组学研究表明,代谢调节是寿命调节中的一个显著特征。延长人的寿命，延缓衰老是人们非常关心的问题。由于秀丽线虫生命周期短，只有3 周左右，因此，在研究衰老和寿命上有很大优势。 A、衰老与新陈代谢的关系已发现的与寿命有关的基因有age-1和daf-2。其中, age-1是最早发现与线虫寿命有关的基因, 它编码一种磷脂酰肌醇激酶,而daf-2则编码一种酪氨酸激酶受体,后者与哺乳动物中的胰岛素和类胰岛素生长因子-1受体相似。Daf-2的缺失突变体是致死的 ,但是daf-2部分功能突变体其寿命却是野生型的23倍。Daf-2和age-1参与线虫胰岛素/类胰岛素信号通路。 B、摄食量控制与代谢的关系一般认为,摄食量的控制可以降低代谢的速率从而延长生物体的寿命。但Houthoofd 等研究发现,在线虫中摄食量控制反而能使其代谢速率上升。摄食量控制往往通过一定的方式实现,如使用突变体,将营养物稀释,或者将线虫置于无菌的培养基中培养等。事实上,在这些试验条件下,通过对好氧量和产热量的测定,它们往往有更高的代谢率。因此,摄食量调控延长线虫寿命的机理仍未清楚。虽然在果蝇和小鼠中摄食量控制是通过调节胰岛素途径而使寿命延长的,但是在线虫中却有所不同。C、支链氨基酸与寿命的关系如图所示, daf22 / IGF1R、daf228 /胰岛素和ife22 /e IFE43种突变体能使细胞内氨基酸水平上升,尤其是支链氨基酸。一些影响到电子传递链中复合物I、II、III的突变,包括长寿突变,也会导致支链氨基酸的积累。氨基酸池和其他营养物质可以激活TOR信号,进一步使核糖体p70S6激酶和翻译起始因子e IFE4激活,同时抑制线粒体的功能。然而,DAF22 / IGF1R突变使DAF216激活,进而抑制daf215转录使TOR信号减弱。虽然突变体通过不同的途径使寿命延长,但是他们共同的代谢特征是支链氨基酸池的增加。注:黑线表示对不同信号通路中成员的激活或抑制;红色箭头表示突变体对细胞内氨基酸池的作用。在线虫衰老研究上，目前已有的研究成果尚只是描画出了衰老调控机制的大致轮廓，还需要进行更系统的工作去充实和完善，从而真正揭示动物衰老调节的奥秘，进而帮助人们了解哺乳动物与人类自身的衰老及调控规律。 3.3 利用秀丽线虫建立环境毒物毒性的评估研究体系（环境科学）模式动物秀丽线虫( Caenorhabditis elegans) 在环境科学与生态毒理学研究中发挥着越来越重要的作用, 目前利用秀丽线虫已初步建立起较为完善的环境毒物毒性评估体系。该评估体系具体由如下一些指标构成: 致死率、最长寿命与半数致死天数、细胞凋亡、个体发育、生殖、运动行为、乙酰胆碱酯酶活性、学习行为、记忆行为、转基因品系、突变体、基因表达模式等十二项。例如：l 土壤与水环境中的毒物积累到一定程度后会诱导受暴露的秀丽线虫发生死亡, 产生一定的致死作用，致死率是用来评价毒物致死效应的一个重要指标。l 最长寿命与半数致死天数目前已被用于评估银、镉、镍、铅、钡、铬、锌、铜等重金属对秀丽线虫寿命的毒性影响。l 秀丽线虫细胞凋亡目前已被用于评估镉等重金属的细胞毒作用以及空气负离子的生物学效应分析。l 秀丽线虫个体发育的评价指标包括3 个方面:体长( Body length) ，体宽( Body width) 及是否发生畸性发育( Abnormal development)。秀丽线虫在特定毒物的暴露下, 还会导致个体发育的多方面变化, 尤其是可能会出现畸形发育。3.4 秀丽线虫在神经系统疾病研究的应用人类的神经系统面临着两大威胁从而影响其功能：缺氧和退行性疾病。尽管一些研究在探讨其神经毒性的分子机制方面已取得显著成绩，然而对于缺氧引起的脑中风和神经系统退行性疾病的预防和治疗仍无切实有效的方案。秀丽线虫由于基因操作便捷，特别适合于用大规模突变体筛选、转基因和基因沉默技术建立缺氧和神经系统退行性疾病模型来研究疾病的发病机理，这已取得一定成绩。秀丽隐杆线虫是多细胞无脊椎动物，其中神经细胞占体细胞的三分之一之多。虽然解剖结构十分简单，但神经递质、突触蛋白、离子通道等基本组成与人类具有高度的保守性。由于其全基因组遗传信息已知，基因操作便捷，秀丽隐杆线虫已经在高级神经功能活动、神经系统疾病等研究领域中发挥重要作用。雌雄同体的秀丽线虫有302个神经元，56个胶质细胞，占全部细胞(959)的三分之一。秀丽线虫的神经结构虽然简单，却很完善。目前，在神经系统疾病中的研究主要有中风的研究、神经系统退行性病变（如阿尔兹海默病和帕金森病）的研究，成瘾性疾病（酒精成瘾和烟草中的尼古丁成瘾）的研究。随着新技术在秀丽线虫研究中的应用，许多与人类相似的生理和病理现象不断被发现，令人振奋的成果不断出现。例如，最近利用图像跟踪处理系统发现秀丽线虫具有类似于人类的睡眠行为。3.5 秀丽线虫在人类肥胖症等代谢疾病中的研究秀丽线虫作为当前国际上研究脂肪积累生理与分子机制的重要模型之一的原因：( 1)线虫脂肪颗粒主要存储于肠道及皮下细胞,且线虫身体通体透明,利用整体动物便可观察到肠道及皮下细胞脂肪的堆积。( 2)方法上,线虫脂肪颗粒标记简单,苏丹黑B可以使固定好的线虫脂肪着色,肠道内的脂肪颗粒可以用Nile Red荧光探针来标记。(3) 线虫中具体脂肪酸组分可以利用气相色谱或气相色谱/质谱分析联用方法进行考察(4) 线虫中脂肪酸合成与降解的代谢与其他动物以及人体中的生化通路相同或高度相似,尤其是线虫脂肪代谢各关键代谢步骤的限速酶等与其他物种中基本相同( 5)线虫脂肪积累的核心调控通路已基本鉴定出来。已有的研究表明模式动物线虫是研究脂肪积累重要而且实用的体系。线虫中的研究工作将会对其他物种脂肪积累的研究提供重要的启示与帮助,并有可能对人类肥胖症等代谢疾病的研究起到重要的提示作用。3.6 秀丽线虫精子发生和精子受精的研究秀丽线虫精子发生过程包括减数分裂和精子活化两个阶段, 通过早期特异基因的表达和后期蛋白分子的翻译后修饰, 精原细胞发育成为具有运动能力的精子。其受精阶段包括精子运动、精子竞争、精卵信号通讯以及精卵融合等过程。通过突变体筛选目前已经获得了一些影响精子发生或受精的突变体, 并且对其中一些突变体进行了基因克隆和功能分析的研究。通过对线虫精子发生和受精机制的深入研究, 不仅可以极大地补充和指导以actin 为基础的细胞运动的研究, 还将对动植物寄生线虫的防治、男性不育的治疗以及男性无毒避孕药物的设计提供丰富的基础知识和新的策略, 因此, 这项研究具有重要的理论意义和巨大的潜在市场价值。3.7 秀丽线虫在学习记忆研究中的应用学习和记忆是脑的高级功能。多数和人类学习记忆相关的分子在线虫中都具有同源性。秀丽线虫具有丰富的行为以及基因易操作的优势，因此成为行为遗传学研究的有利工具，被广泛用来解析学习记忆的分子机制。1990 年Rankin等首先发现了秀丽线虫具有学习记忆能力。碰触线虫的头部或尾部，线虫能够产生躲避反应。通过这种模型，发现线虫具有短期习惯化，去习惯化和敏感化的能力。如果刺激重复增加，即可产生长达24 小时的长期习惯化。继该文发表后，涌现出大量关于线虫学习记忆的研究报道。Wicks等报道秀丽线虫的这种习惯化行为与感觉神经元和四对中间神经元之间的化学突触可塑性相关。进一步研究表明，谷氨酰胺酶同源基因eat-4 的突变株系能够迅速习惯化且恢复缓慢，不具备去习惯化能力。这一结果提示神经递质的调节在习惯化和去习惯化过程中具有重要的作用.最近有研究报道，利用秀丽线虫的氯化钠化学趋向性记忆，对胰岛素/PI3K通路的每个分子的突变株系进行化学趋向性分析，发现此通路是影响线虫氯化钠化学趋向记忆的重要通路。这一研究将为理解胰岛素/PI3K通路在神经功能中的作用奠定基础。随着对秀丽线虫学习记忆研究的不断深入，其成果显然将有助于为人类学习记忆分子机制的研究提供线索。4、结语：前景发展在短短的四十年期间，以秀丽线虫为研究对象的重大科学发现层出不穷，线虫已成为当代生命科学研究中的一个重要的模式生物。从Brenner开始，全世界的线虫研究者始终坚持材料、资源、信息和数据的无偿共享，使这一领域的研究得以飞速发展。随着越来越多的研究者的加入，我们坚信秀丽线虫的研究必将继续为人类探索生命规律的调控机制做出更大贡献。参考文献：1、任长虹,张成岗.秀丽线虫:低氧应答研究的模式生物.J. 生理科学进展. 2008.39(1)2、张燕芬,王大勇.利用模式动物秀丽线虫建立环境毒物毒性的评估研究体系.J.生态毒