诺贝尔生理学奖史话.doc

课程名称： 诺贝尔生理学奖史话 主讲教师： 张铭 学号 2009210136 姓名 周金刚 专业 生物科学 从线虫的研究论诺贝尔精神摘 要：自20 世纪 60 年代开始，秀丽线虫作为重要的模式生物在生命科学的发展过程中发挥着举足轻 重的作用。线虫中的许多重大发现为人们理解复杂的细胞生命活动做出了极大的贡献。而这些工作来自三位科学家：Brenner 、Sulston、Horvitz。 Brenner于1974 年在Genetics上发表了“The Genetics of Caenorhabditis elegans”。该文详述了秀丽线虫的突变体筛选、基因定位等遗传操作方法，为以秀丽线虫为模式进行动物个体发育的遗传研究奠定了基础。同时,Brenner主张分享研究结果，共同推进科学的发展。极大的阐释了诺贝尔精神推进科学发展。关键词：线虫 诺贝尔生理及医学奖 诺贝尔精神 一、背景介绍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。秀丽隐杆线虫(C.elegans)作为一种模式线虫，在当代生命科学的发展过程中起着举足轻重的作用，线虫中的许多重大发现为人们理解复杂的细胞生命活动做出了极大的贡献。二、线虫的介绍和实验的开展从秀丽线虫的发现到成为模式生物，在这背后隐藏着很多有趣的故事。其中就有关于Brenner的故事。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。秀丽线虫成虫长约1 mm ，身体为半透明，以大肠杆菌为食，易在实验室培养。从一个受精卵发育成可以产卵的成虫，它只需要3 d1 。在实验室中只要有一台解剖显微镜，一只自制的铂金丝小铲，就可以进行线虫培养操作了。在自然状态下，秀丽线虫绝大部分个体为雌雄同体(hermaphrodite)，其一生能产生约300个受精卵。如果在一个培养皿上放上几只线虫，几天之后就可得到大量的后代。自然产生的秀丽线虫群体中只有约千分之一为雄性，但在实验室里可以用热激的办法来产生雄性个体以用于遗传交配。由于具有雄性和雌雄同体这两种性别特征， 秀丽线虫在遗传研究上具有无可比拟的优势。正是线虫的这些特点，在很大程度上确定了它作为模式生物的地位，这些都是Brenner做的开创性工作。作为一名学习生物的本科生，我做的创新性实验就是关于线虫，以下截取我的部分实验日志。2011年9月到2012年3月（整个上学期），小组六人跟着陈柳惠师姐和赵裴师姐进行有关线虫基本技能训练，包含有大肠杆菌培养基配置，接种大肠杆菌，土样倒平板，线虫解剖镜下形态学观察，线虫挑取，线虫分离纯化，提出线虫DNA，线虫DNA的PCR，线虫DNA琼脂糖跑胶等技能。部分实验记录：时间：2012.3.12实验操作：1、 陪500NGM培养基，倒了69个小平板；2、 将69个小平板封口后放于37摄氏度恒温培养箱内3、 备注NGM培养基所用药品为CaCl2,MgSO4,胆固醇，磷酸缓冲液，放在第三个4摄氏度冰箱内；UV灭菌室要把药品，枪头，大镊子，枪，封口膜，小平板一同灭菌。光照10分钟，吹风5分钟。4、 问题思考：为什么要多次接种，进行多次培养？师姐回答：只有经过了多次线虫接种培养才能得到单一的线虫。（2) 小组成员周金刚于2012年4月5号（清明节期间）在家乡湖北省鄂州市杨叶镇采回来八份土样。其中两份有线虫，目前正在分离线虫，即将开展形态鉴定。以前没有来自鄂州市的土样，希望这次有新的线虫资源 （3）小组成员陈真，程喜生，周金刚，党阳阳，何荣一起于2012年4月13号（周五)下午在武汉动物园采集了多份土样，土样与前几天倒了平板，待后续观察。 以上工作的开展，是在Brenner的开创性基础上进行的。他的学生Sulston在他的研究基础上绘制出了当今世界上独一无二的一份细胞谱系。这张细胞谱系图揭示了雌雄同体线虫全部1090 个细胞的身世和命运，从而使科学家们能够在活体线虫的单个细胞水平上研究遗传发育的调控机制。在此时，这位伟大的坚持从材料、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。其中就有个工作促进了2002诺贝尔生理及医学奖的诞生，就是通过线虫进行关于细胞凋亡的机制研究。在后来近二十年中，Horvitz 的实验室利用遗传突变和基因克隆等手段，克隆了十几个控制细胞程序性死亡的基因。这些基因之间通过遗传相互作用来调控细胞程序性死亡。同期对人及哺乳动物细胞的研究发现，秀丽线虫的细胞程序性死亡基因与人及哺乳动物细胞凋亡基因十分相似。因此，无论是低等生物秀丽线虫还是高等动物人，它们的细胞程序性死亡的调控机制是非常保守的1。三、科学成就与科学合作Brenner创造性地将秀丽线虫用于个体和器官发育的遗传调控研究，早在一九六O年就了解使用高等哺乳动物，进行细胞分化与器官发育的研究是很困难的，因此需要一个较哺乳动物简单的多细胞生物体来进行实验。他选定利用线虫研究组织及器官的形成机制。线虫的身长约一公厘，通体透明，寿命短，故能用显微镜来观察其细胞的分裂成长 。在一九七四年他首先利用化学物质乙基甲烷硫酸物（EMS）使基因产生突变，不同的基因突变会影响不同器官的发育，因此奠定了基因对器官发育的研究路线2。Sulston于一九七六年发现线虫细胞谱系的固定性，即每一只线虫在成长过程中，均经过完全相同的细胞生长分化，而发育为成虫。他后来又发现某些细胞会在特定部位、特定时间死亡，例如线虫的神经系统在发育过程中，会有类似的情况发生。Sulston利用基因突变的方法，找出参与计划性细胞死亡的遗传基因；例如：nuc-1基因，他指出nuc-1基因活化后产生的蛋白质，是分解死亡细胞内的DNA所必须的。Sulston说，线虫就像缩版的人类，只要看看形成线虫肌肉的基因，就可直接了解形成人类肌肉的基因，因为它们一模一样。他与同僚花了十五年的时间，才将线虫的基因体序列解开，在一九九八年公布的这项成就，获得科学界的一致喝采。此外Sulston也参与人类二十三对染色体译码的重大工程。Sulston以坚韧不拔的毅力在显微镜下绘制了世界上绝无仅有的动物细胞谱系图3 。Horvitz延续Brenner与Sulston的研究工作，利用最新分子生物技术，探讨遗传基因对“计划性细胞死亡”的调控程序。一九八六年他找到二个死亡基因（death genes） ced-3 与ced-4，并且证明必须先有这二个基因发挥功用后才能执行细胞的自杀程序。后来他又发现另外一个ced-9基因，它能与ced-3 及ced-4 交互作用而阻止细胞的计划性死亡，他进一步发现人体也含有类似ced-3的基因。如今科学界已确定，线虫体内所有调控细胞死亡过程的基因，在脊椎动物，例如人类身上都找得到作用相似的同源基因在观察线虫的细胞生长分化过程中，发现多个能够调控器官发育与“计划性细胞死亡”的基因；并且证明包括人类在内的高等多细胞生物体内也有相对应的基因存在。三人的研究成果对于病理及疾病的医疗有极大的贡献，对研究多种疾病的致病机制开创了新契机。Horvitz以持之以恒的钻研精神揭示了细胞程序性死亡的遗传调控机制，使秀丽线虫成为当代生命科学研究中最重要的模式生物之一4 。四、小结这三位秀丽线虫的研究先驱也因此分享了2002年的诺贝尔生理医学奖。这一殊荣同时也是对以C. elegans为模式生物探索各种生命现象的科学家们的莫大激励。正是这种合作精神与资源共享精神极大的推动着科学技术的发展，加速着科学的传播和应用，这些工作彰显着一种诺贝尔精神为了人类的科学发展。 自Brenner 开始，四十多年来，以秀丽线虫为模式生物的研究几乎涉及到生命科学的各个领域并取得了重大突破。综上所述，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