淺談秀麗隱桿線蟲的模型建立與研究進(jìn)程

鄧陽

摘 要：秀麗隱桿線蟲作為一種簡單的多細(xì)胞真核生物由于具有較多優(yōu)點(diǎn)成為科研者建立模型與藥物靶點(diǎn)研究與新藥研制的重點(diǎn)研究生物。本文僅將近年來秀麗隱桿線蟲的特點(diǎn)、模型建立及研究進(jìn)展作簡要整理與分析。

關(guān)鍵詞：秀麗隱桿線蟲；模型篩選

建立一個(gè)較為優(yōu)良的篩選模型，至少應(yīng)具備良好的穩(wěn)定性、重復(fù)性和可操作性這些特征。在傳統(tǒng)的藥物研究中，實(shí)驗(yàn)者往往使用小鼠、兔子作為模型研究藥物靶點(diǎn)和進(jìn)行藥物研發(fā)，但這些動(dòng)物模型具有傳代時(shí)間長、受環(huán)境因素影響較強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性低等缺點(diǎn)，而秀麗隱桿線蟲作為一種操作較為簡便的生物逐漸被嘗試，優(yōu)點(diǎn)也不斷顯現(xiàn)。

一、秀麗隱桿線蟲（以下簡稱線蟲）的“秀麗”之處

1.易于培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)過程中線蟲一般在瓊脂平板上或液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，溫度在20℃左右，以E.coli OP50為食。能在-80℃冰箱長期保存[1]，因其穩(wěn)定性較強(qiáng)而便于保存與使用。

2.繁殖快，且產(chǎn)后代數(shù)量多，成本較低。其絕大多數(shù)個(gè)體為雌雄同體，雄蟲僅占0.05%。一只雌雄同體野生型線蟲可以產(chǎn)出 300個(gè)左右的后代，其在產(chǎn)卵期產(chǎn)卵，優(yōu)先選擇雄性的精子。若與雄蟲交配，后代數(shù)則可多達(dá)1000個(gè)。20℃時(shí)，野生型線蟲發(fā)育一個(gè)世代僅需要3d左右，平均壽命為2-3 周。

3.線蟲以動(dòng)物整體作為實(shí)驗(yàn)對象，同時(shí)規(guī)模容易進(jìn)行擴(kuò)大研究。線蟲成蟲體長僅1mm，體徑30μm，結(jié)構(gòu)相對簡單。從最初的培養(yǎng)板準(zhǔn)備，到最終目的線蟲篩選或特定量化性質(zhì)的測定均可以實(shí)現(xiàn)全/半自動(dòng)化，因此具有較高的操作性，準(zhǔn)確率高。目前研究者已完成線蟲全基因組測序，并且這些基因中高達(dá)42%的基因與人類基因同源[1，2]，其遺傳背景相對清晰。因此作為整體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，當(dāng)藥物在體內(nèi)的作用靶點(diǎn)不止一個(gè)時(shí)，往往能提供更準(zhǔn)確的評估。

4.線蟲身體透明，便于染色、觀察與熒光標(biāo)記。這一特點(diǎn)已被用于基于線蟲的高通量篩選并獲得了成功[3]。

二、藥物模型的建立

1.抗衰老藥物模型的建立

自20世紀(jì)70年代開始，研究者便開始逐步將秀麗隱桿線蟲模型用于人體衰老、神經(jīng)生理學(xué)等領(lǐng)域的研究。英國科學(xué)家Brenner[4]選擇使用線蟲作為研究完整神經(jīng)系統(tǒng)的簡單且準(zhǔn)確度高的生物模型。一直以來人們致力于研究將秀麗隱桿線蟲模型用于daf-2基因、5-HT、膽酸甾體化合物等物質(zhì)與衰老調(diào)控的關(guān)系的研究。在線蟲的細(xì)胞凋亡研究中首個(gè)發(fā)現(xiàn)多物種中保守的調(diào)控衰老的胰島素/IGF-1信號(hào)通路，其關(guān)鍵起始基因daf-2缺失的突變株線蟲壽命在20℃條件下延長達(dá)三倍之多.目前發(fā)現(xiàn)影響線蟲衰老的主要信號(hào)通路還包括雷帕霉素目標(biāo)信號(hào)通路（TOR）、自噬通路、線粒體呼吸通路和缺氧誘導(dǎo)因子-1（HIF-1）通路等，這些通路之間既相互關(guān)聯(lián)卻又在線蟲衰老進(jìn)程中各司其職.張照康等通過對miR-260敲除后突變線蟲進(jìn)行一系列的衰老特征實(shí)驗(yàn)研究證明，miR-260 通過影響基因jnk-1.eat-2進(jìn)而調(diào)控線蟲的衰老進(jìn)程。進(jìn)一步證明了線蟲模型在研究人類衰老進(jìn)程中的適用性與準(zhǔn)確性。

2.耐藥菌藥物模型的建立

隨著抗生素濫用情況日益嚴(yán)重，細(xì)菌多重耐藥性問題日益凸顯，為探尋新的抗菌靶點(diǎn)和藥物作用機(jī)制，科研人員嘗試使用線蟲模型用于抗菌研究。學(xué)者Ausubel等首次用糞腸球菌感染秀麗隱桿線蟲，建立了體內(nèi)抗菌藥物篩選方法之后，細(xì)菌、真菌等多種感染模型逐步被建立并用于研究。陳麗紅等則進(jìn)一步探究建立并深入實(shí)踐研究了秀麗隱桿線蟲-銅綠假單孢菌感染模型，均用以反映病原菌的耐藥性在線蟲模型中的具體變現(xiàn)，從而用于篩選經(jīng)典藥物，同時(shí)研制具有抗感染或輔助抗感染作用的新型藥物。

3.神經(jīng)退行性疾病模型的建立

（1）阿爾茲海默癥（Alzheimers disease，AD）秀麗隱桿線蟲模型作為目前為止人類疾病研究進(jìn)程的第一大神經(jīng)退行性疾病，AD治病表征主要表現(xiàn)為神經(jīng)細(xì)胞外由β淀粉樣蛋白（Aβ）異常沉積形成淀粉樣老年斑（amyloid plaques）和神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)tau蛋白自聚集出現(xiàn)神經(jīng)纖維纏結(jié)。目前轉(zhuǎn)基因模型為使用最多的AD模型：轉(zhuǎn)Aβ基因模型和tau模型。

（2）帕金森癥（Parkinson disease，PD）線蟲模型作為先進(jìn)人類疾病研究進(jìn)程中的第二大神經(jīng)退行性疾病，關(guān)于PD的研究，學(xué)者目前已建立藥物誘導(dǎo)模型、轉(zhuǎn)基因模型兩大PD線蟲模型。藥物誘導(dǎo)模型是通過神經(jīng)毒素染毒獲得通過建立PQ模型，MPTP/MPP+模型，Mn2+模型和6-OHDA模型等諸多模型，研究PD的發(fā)病是否與遺傳因素和環(huán)境因素有一定的關(guān)聯(lián)性。

（3）亨廷頓舞蹈癥（Huntington disease，HD）秀麗隱桿線蟲模型病因?yàn)榛蛲蛔兓虻?對染色體內(nèi)4p16.32的位置上一段延伸著不穩(wěn)定的CAG三核苷酸重復(fù)序列，Morley J F等經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，隨著CAG片段的重復(fù)性增加，秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)細(xì)胞隨之退化，HD的病癥越來越明顯。

4.抗腫瘤模型的建立

研究者利用秀麗隱桿線蟲高度保守性的特點(diǎn)，將其用于細(xì)胞凋亡歷程的研究。秀麗隱桿線蟲的發(fā)育由高度保守的Writ、Notch、Ras三大經(jīng)典信號(hào)通路所調(diào)控，這三條通路都與人類疾病中的腫瘤發(fā)病機(jī)理有著不可分割的聯(lián)系。由于可根據(jù)線蟲的異常表型來判斷這三大信號(hào)通路的調(diào)控方式，使得線蟲成為腫瘤藥物篩選的理想模型之一，同時(shí)秀麗隱桿線蟲的細(xì)胞程序性凋亡這一特點(diǎn)在研究中更是起到了畫龍點(diǎn)睛的作用。

三、傳統(tǒng)高通量篩選與微流控芯片線蟲研究的方法

利用線蟲高通量篩選活性化合物來研究藥物作用靶點(diǎn)與研制新藥是較為傳統(tǒng)的線蟲研究方法。但這種傳統(tǒng)篩選方法有著顯而易見的缺點(diǎn)，操作繁多，耗時(shí)長，易于觀察群體卻不便于個(gè)體的觀察與追蹤研究。最終用于固定線蟲的膠水可能對線蟲的生理特征存在潛在的影響。

基于傳統(tǒng)高通量篩選方法存在的缺點(diǎn)日益顯現(xiàn)，人們開始探尋篩選線蟲的新方法。目前微流控芯片技術(shù)追蹤線蟲用于神經(jīng)生物學(xué)、行為、衰老及發(fā)育學(xué)、藥物篩選及基因篩選等領(lǐng)域已逐漸走進(jìn)大家的視線。在線蟲培養(yǎng)過程中微流控芯片中可運(yùn)用靈活的流體操控實(shí)現(xiàn)對線蟲食物的添加和代謝物的排出，從而滿足了線蟲所需能量的充分?jǐn)z入，并且這一特點(diǎn)也方便了線蟲的后期分選，也可精確地將刺激傳遞給每一個(gè)線蟲個(gè)體，較傳統(tǒng)的方法便捷且經(jīng)濟(jì)。同時(shí)采用機(jī)械法、凝膠法、溫控法等固定方法以避免高通量篩選所用固定的膠水對線蟲的潛在傷害。作為微流控芯片的另一種方式液滴微流控芯片技術(shù)，還具有高效且無交叉感染等難以比擬的優(yōu)點(diǎn)。

在不斷實(shí)踐過程中，線蟲的缺點(diǎn)逐漸暴露，線蟲并不具備人體的各種身體器官與系統(tǒng)，與人類存在明顯的種間差異，這些缺點(diǎn)必定會(huì)對線蟲最終的表型產(chǎn)生影響，還需在日后的研究中不斷克服或探尋更為合適的替代部分。

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（作者單位：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)）