2012-4-人类疾病的模式生物学

人类疾病的模式生物学,段然慧,,2012/3/13,1,中南大学医学遗传学国家重点实验室,医学遗传学国家重点实验室State Key Lab of Medical Genetics,什么是模式生物？,生物学家通过对选定的生物物种进行科学研究，用于揭示某种具有普遍规律的生命现象。此时，这种被选定的生物物种就是模式生物。,为什么需要模式生物?,从伦理的角度 我们不能用人来做实验从研究的角度 相对简单的生物结构相对简单，便于进行观察和处理从进化的角度生物体具有共同的祖先低等生物和高等生物中有重要功能的生命活动和生理机能在进化上是保守的 因而从理论上说，从简单的系统得到的结果往往可以推导至高等生物。,模式生物应具备的特点,1）容易获得并易于在实验室内饲养；,2）繁殖快、世代短、子代多、遗传背景清楚；,模式生物,4）基因组和其它许多方面都与人类有着极大的相似性。,3）容易进行实验操作，特别是遗传学分析，具有比较成熟的研究手段；,常用的模式生物,人类疾病研究,大肠杆菌,酿酒酵母,秀丽线虫,斑马鱼,黑腹果蝇,小鼠,大鼠,大肠杆菌E. coli Escherichia coli,大肠杆菌（Escherichia coli ）,主要优点：原核生物，繁殖迅速；遗传背景清楚，技术操作简单，培养条件简单；基因组测序已经完成（1997年）。应用：最广泛，最成功的目的基因表达体系，为高效表达的首选体系。,基因工程目的基因扩增,酿酒酵母Yeast Saccharomyces cerevisiae,酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae ）,主要优点：单细胞真核生物，个体小；繁殖速度快，周期短 ，容易培养；第一个完成基因组测序的真核生物（1996年）。基因间隔区较短，内含子少；约有23%基因与人类同源。应用：生命周期蛋白功能,酿酒酵母生活史,母细胞,芽,芽痕,出芽生殖（无性）,接合生殖（有性）,秀丽线虫C. elegans Caenorhabditis elegans,秀丽线虫（Caenorhabditis elegans ）,主要优点：易于养殖，虫体小 ，成本低廉；生长速度快，生命周期短；雌雄同体(99.95%)，繁殖能力强；体细胞数目恒定；易于观察，易于遗传操作；第一个完成基因组测序的多细胞生物（2002年）。线虫基因组大小为100Mb；编码大约18000个蛋白质，1000个非编码RNA；50%左右的基因与其他生物体同源；6对染色体：5对常染色体，1对性染色体，大小相近；其染色体没有着丝粒。,秀丽线虫生活史,秀丽线虫诺贝尔奖的“宠儿”,SydneyBrenner,JohnSulston,H.RobertHorvitz,2002年诺贝尔医学或生理学奖线虫的遗传与发育方面的成就 （细胞凋亡）,Andrew Z. Fire,Craig C. Mello,2006年诺贝尔医学或生理学奖RNAi,Osamu Shimomura,Martin Chalfie,Roger Y. Tsien,2008年诺贝尔化学奖GFP（绿色荧光蛋白）Chalfie将GFP引入线虫体内表达,小线虫，大发现数出来的诺贝尔奖,1090个细胞,959个细胞,131个细胞,？,小线虫，大发现细胞凋亡,秀丽线虫（Caenorhabditis elegans ）,应用：睡眠细胞凋亡肌肉萎缩衰老应激反应药物筛选（秀丽线虫作为微生物的宿主，可筛选抗菌药物）,斑马鱼Zebra Fish Danio rerio,斑马鱼（Danio rerio）,主要优点：成鱼体型较小；胚胎透明且体外发育，易于活体观察；生长发育快，受精后24小时主要器官原基基本形成；生命周期较短；繁殖能力强且易于饲养，可快速获得大量胚胎；基因组测序已经完成（2009年）。25对染色体；斑马鱼的基因与人类的基因 保守度达到85。,斑马鱼生活史,斑马鱼胚胎发育,斑马鱼 （Danio rerio）,心血管疾病,眼科疾病,肿瘤,神经生物学,肌肉萎缩,应用：,应用斑马鱼研究脊椎动物血管形成,肿瘤细胞的增殖与迁移,黑腹果蝇Fruit fly Drosophila Melanogaster,黑腹果蝇（Drosophila Melanogaster）,主要优点：价格低廉，个体小，易于实验室饲养；生命周期短；繁殖力强，可产生大量遗传同质的后代；雌雄容易区分，雄性不发生基因重组；具有很长的研究历程，遗传操作手段成熟；经得起突变和杂交试验，已得到多种不同性状的突变体；基因组测序已经完成（2000年）。4对染色体：3对常染色体，1对性染色体基因组大小约为120Mb约13,600 基因75%的人类已知致病基因中在果蝇中有同源序列,黑腹果蝇生活史,黑腹果蝇染色体,多线染色体（polytene chromosome）：果蝇唾液腺中一种缆状的巨大染色体，由核内有丝分裂产生的多股染色单体平行排列而成。,黑腹果蝇不同性状,野生型 黄体 黑体,野生型 锯齿状翅,野生型 卷翅,Wt 野生型 w 白眼B 肾形眼 B 棒眼,黑腹果蝇打开诺贝尔奖大门的金钥匙,Morgan遗传学之父,1933年诺贝尔医学或生理学奖 从果蝇白眼突变到染色体的基因之谜,Muller 果蝇突变大师,1946年诺贝尔医学或生理学奖 X射线诱发果蝇突变,Lewis,Volhard,Wieschaus,1995年诺贝尔医学或生理学奖 果蝇胚胎发育,胚胎发育的秘密,胚胎如何由一个细胞发育成特化器官？,受精卵,特化器官,畸形个体,完美个体,细胞分裂,正常发育,基因突变,分裂、发育,果蝇揭示的“秘密”,BX：双胸突变果蝇,基因的功能与身体发育有关,同源异型转变（homeotic transformation）：将身体一部分构造变为另一相似构造的转变。造成这类转变的基因就称为同源异型基因（homeotic gene）。,果蝇揭示的“秘密”,黑腹果蝇（Drosophila Melanogaster）,应用：癌症神经退行性疾病 （药物筛选，遗传操作）行为学免疫衰老多基因遗传,“彩虹大脑”,UAS/GAL4 系统,Polyglutamine disease (Poly Q),CAG重复数目异常异常蛋白质累积神经元正常功能受损运动障碍Huntington舞蹈症 (HD)，延脊肌萎缩症 (SBMA)，脊髓小脑共济失调1,2,3,6,7,17(SCA) ，齿状核红核苍白球丘脑底核萎缩 (DRPLA),HD果蝇模型,SCA3果蝇模型,Row1 a 野生型果蝇；b Q78强表达；c Q78弱表达；d Q61强表达Row2 视网膜厚度,HSP70改善SCA3果蝇的神经退行表型,a 表达Q78b 共表达Q78与HSP70c HSP70（显性负效应）d 共表达HSP70（显性负效应）与HSP70,小鼠Mouse Mus musculus,小鼠（Mus musculus）,使用量最大、研究最详尽的哺乳类实验动物主要优点：生长最快的哺乳动物，成熟早、繁殖力强体型小，容易饲养，易于控制拥有大量的近交系、突变系和封闭群对外来刺激极为敏感与人类高度同源（85%基因）基因组测序已经完成（2002年）20对染色体基因组大小约为2.6 Gb约24,000 基因,小鼠生活史,小鼠（Mus musculus）,应用：研究一个基因的功能建立人类疾病研究模型（遗传操作，药物筛选）肿瘤器官移植免疫学内分泌衰老学习记忆,肥胖/糖尿病小鼠,两种：ob/ob和db/db，分别是leptin配体和受体缺陷；肥胖、高血糖、胰岛素耐受。,肿瘤移植小鼠,转基因小鼠,FXS Vs FXTAS,FXTAS小鼠模型,CGG KI小鼠泛素阳性核内包涵体A 100周龄CGG KI小鼠，白箭头示小脑浦肯野细胞，黑箭头示小脑粒状细胞B 72周龄CGG KI小鼠，黑箭头示室管膜细胞 C 91周龄CGG KI小鼠，黑箭头示室管膜细胞,泛素阳性核内包涵体（杏仁体内）,A、C 72周龄(CGG)100 KI小鼠A 低倍镜C 高倍镜B、D FXTAS患者(CGG)105 B 低倍镜D 高倍镜,基因敲除小鼠的“诞生”（1989年）, 从供体小鼠的胚胎中提取出胚胎干细胞； 利用基因打靶技术，对外源DNA的特定基因进行修饰或抑制其活性，再将之引入胚胎干细胞，培养这种吸收了外来基因的胚胎干细胞； 经过修饰的干细胞被注入胚泡中，再将胚泡置入代理母亲的子宫，这时出生的小鼠就是一种嵌合型小鼠，即拥有正常遗传的细胞，也拥有经修饰的细胞； 将嵌合型小鼠与正常小鼠交配，所出生的基因打靶小鼠，每个基因都含有正常基因和经修饰的基因。,Mario Capecchi,Oliver Smithies,Martin Evans,2007年诺贝尔医学或生理学奖基因敲除小鼠,基因敲除小鼠原理,常规基因敲除 Conventional knockout 在胚胎干细胞中敲除特定基因。操作相对简单，但有些基因的常规敲除会导致胚胎致死，因而不能研究基因在成体中的功能。条件基因敲除 Conditional knockout 在特定的时间或组织中敲除特定基因。操作较为复杂，理论上可以研究基因在特定时间或组织中的功能。,大鼠Rat Rattus norvegicus,大鼠（Rattus norvegicus）,科学研究所使用的模式生物有95%为大鼠和小鼠主要优点：第一种用于科学研究的哺乳动物生长迅速，性成熟期短；容易饲养；基因组测序已经完成（2004年）。21对染色体基因组大小约为3.75 Gb约25,000基因，数量跟人、小鼠相近90%的基因与小鼠以及人类的基因相匹配,大鼠（Rattus norvegicus）,应用：建立人类疾病研究模型（心血管疾病、肺循环疾病、高血压、肿瘤、器官移植、免疫学、糖尿病等）神经药理学,SD大鼠,自发性高血压大鼠(SHR),SHR Rat 141/203 mmHgHR 390 Normal Rat 121/ 84 mmHgHR 380,应用SHR大鼠可心脏、脑、肾脏等结构进行损伤研究。,应用SHR大鼠研究肾纤维化,14 周龄所有SHR 收缩压较WKY组即有明显上升( P 0.01) ,且有逐渐升高趋势。 22 周龄时, 卡托普利组、白蒺藜组、联合用药组与同周龄SHR 相比,收缩压均明显下降( P 0.05) 。,应用SHR大鼠研究肾纤维化,白蒺藜有效组分可明显降低SHR 大鼠收缩压水平,联合应用卡托普利和白蒺藜二种药物, 起到协同作用, 降压效果更佳, 通过降低血压可改善肾纤维化,减少肾组织损伤。,结论：,诱发性动物模型 又称为实验性动物模型，指通过使用物理、化学、生物等致病手段，人为制造的疾病模型。物理因素诱发：如手术致骨折、放射线致免疫抑制化学因素诱发：如高油脂饲料致兔动脉粥样硬化、化学毒物中毒生物因素诱发：如微生物感染,小结,模式生物：科学研究中，用以揭示某种具有普遍规律性的生命现象的生物物种。由于生物进化的保守性，在某一种生物内的生物过程很可能在高等生物（例如人）中也是类似甚至完全一样的。因此研究人员可以利用一