模式生物果蠅在科學研究中的應用分析

林晶晶

（福州大學，福建福州 350116）

模式生物是指用于研究、具有普遍規律生命現象的實驗材料，噬菌體、大腸桿菌、釀酒酵母、海膽、果蠅、斑馬魚、線蟲和小鼠，以及植物學研究中的擬南芥、水稻等都是最常見的模式生物。模式生物通常需要滿足幾個條件：（1）明確的遺傳背景，繁殖快，子代多；（2）易實驗操作；（3）無害、易獲得，并在實驗室內飼養和繁殖；（4）有利于解決目標問題，代表生物界的某一大類群。根據需要解決的問題，生物學家來選擇合適的生物作為模式生物。

1 模式生物果蠅的貢獻

在各種模式生物中，果蠅成就了不少大科學家，2017年三位諾貝爾生理學或醫學獎獲得者對控制生物鐘基因的發現，就是得益于以果蠅為實驗材料。果蠅是生物學家的得力助手，在遺傳學、發育的基因調控、各類神經疾病、嗅覺、視覺的記憶等研究領域中，都有果蠅的身影。摩爾根和他的學生們以果蠅為實驗材料，經過十多年的努力，進行了大量的實驗，終于建立了完整的基因遺傳學說，連鎖遺傳法則的建立是摩爾根對孟德爾遺傳學的新貢獻[1]。

果蠅（fruit flies），拉丁名Drosophila。黑腹果蠅是最普遍應用于遺傳學的果蠅，也是奠定經典遺傳學基礎的重要模式生物之一，對其染色體組成和表型、基因編碼和定位的認識，是其他生物無法比擬的。基于清晰的遺傳背景和便捷的遺傳操作，果蠅在發育生物學、生物化學、分子生物學等領域也都占據了不可替代的位置。1910年，美國遺傳學家摩爾根以果蠅作為研究工具發表論文，同他的學生一起奠定了果蠅的百年輝煌。一百多年來，果蠅的研究對于遺傳學、演化、發育生物學、神經生物學、細胞生物學和免疫學起到了十分中要的作用，從而推動了多個基礎和應用學科的發展，間接影響甚廣[2]。

2 模式生物果蠅的優勢

2.1 果蠅的生活史和習性

果蠅作為模式生物有諸多優勢：（1）果蠅為一種體形較小的昆蟲，有4對染色體，且唾腺染色體特別大，容易觀察；（2）生活周期短，10～14天就能完成一代；（3）喜歡腐爛的水果和發酵物，非常容易飼養；（4）遺傳操作手段成熟，突變體資源豐富；（5）有較復雜的行為能力。這些特性決定了果蠅能作為觀察遺傳現象的實驗材料最佳選擇。果蠅的生活周期包括卵、幼蟲、蛹和成蟲四個完全變態的發育階段，其中幼蟲又分為一齡、二齡、三齡三個時期。從初生卵發育至新羽化的成蟲為一個完整的發育周期，在25℃，60%相對濕度條件下，約為10天，控制養殖的溫度可以加速和減緩果蠅的發育。果蠅個體幼蟲在三齡時達到最大，約2mm，成年果蠅也僅2～3mm。新羽化的雌性成蟲約8h之后即可交配，約40 h開始產卵，第4～5天出現產卵高峰。性成熟雌性果蠅生殖能力很強，產卵初期每天可達50～70枚，累計產卵可達上千枚。較短的生命周期及較強的繁殖能力使得研究者可以在短時間內培養繁殖出大量特定種系的果蠅，此外，果蠅有復雜的社會行為學，如打斗、求偶、覓食、運動、趨光性、趨觸性、晝夜節律等，這些都給研究者觀察和研究提供參考，使果蠅得以廣泛應用于生物學研究，特別是系統發育學及遺傳學等研究。

2.2 果蠅的相關遺傳工具

作為有一定研究歷史的生物，在果蠅中已經建立起一整套的遺傳工具，如平衡致死系、P因子插入突變品系、缺失品系。更值得一提的是，還可以利用轉座因子構建各種轉基因果蠅、利用GAL4/UAS二元表達系統建立誘導基因表達品系、利用FLP-FRT在果蠅體內制造嵌合體（mosaic）[3]。幾乎所有的神經退行性疾病的果蠅模型都是利用GAL4/UAS系統構建的，該體系的關鍵在于靶基因的表達是被UAS調控的，UAS為上游激活序列，在這套體系中，人類相關的轉基因被克隆到帶有UAS的質粒上。GAL4是酵母中的轉錄激活因子，GAL4基因和UAS-靶基因分別位于兩個轉基因品系中。在GAL4轉基因品系中，只有轉錄激活因子，沒有靶基因。在UAS-靶基因品系中，沒有轉錄激活因子，故靶基因處于沉默狀態。只有當GAL4蛋白結合到UAS上時，目標基因才可被轉錄。具體來說，當帶有雜合UAS-GFP報告基因的果蠅和帶有雜合GAL4表達系統的果蠅雜交后，它們的后代有4種基因型，其中一種后代果蠅就同時帶有報告基因和GAL4表達基因，從而表達GFP熒光蛋白。利用不同的GAL4可以實現同一基因在不同組織及不同發育時期的功能的表達，并且實現這些基因在特定的時空上表達。此外，由于帶有UAS-靶基因的轉基因品系中沒有GAL4的存在，此時靶基因處于沉默狀態。因此如果該靶基因的表達是致死的，那該UAS-靶基因品系仍然能夠存活。這一優勢，使得利用GAL4/UAS系統可構建出帶致死基因的轉基因品系，這也可應用在指定靶細胞的敲除。充分利用這幾套系統，可以使果蠅遺傳學發揮其獨特的魅力。果蠅中的這些遺傳手段已運用在了解人類疾病的病理，在比較遺傳學中得到的大量成果被經典的反向遺傳學利用，即在鑒定出人類疾病相關的某個特定基因的果蠅同源基因后，通過這些遺傳手段來操控減少或改變該基因的功能，或是提高該基因的表達水平[4]。

3 模式生物果蠅的研究意義

生命從低等緩慢進化到高等，許多基本生命活動方式還保持著許多相似性，這是模式生物研究策略能夠成功的基礎?；镜倪z傳學規律從果蠅到人很相似。果蠅的基因組測序已于2000年完成，75%的人類已知致病基因在果蠅中有同源序列。有些生物學過程，果蠅和人不是十分一致，卻有相似的分子機理，胚胎發育的基因就是很好的例子。果蠅胚胎是功能合胞體，在早期胚胎分裂時，只有細胞核分裂，沒有細胞膜分裂，直到幾千個細胞核再開始形成細胞膜，變成分開的細胞。而哺乳類胚胎，當然是一個細胞分裂成為兩個細胞，幾千個都是分開的細胞，而不是幾千個細胞核共用一個細胞。如此巨大的差別使很多人認為研究果蠅早期發育對人類無意義，但是在研究了控制果蠅發育的基因后，找它們的哺乳類（包括人類）的相應基因，結果發現不僅在原理上果蠅和人相似，而且在有些具體基因上也相似。因此，研究果蠅的發育為研究高等動物的發育帶來了根本的突破。近年來，果蠅作為模式生物廣泛應用于癌癥、神經退行性疾病、免疫、衰老、行為學等的科學研究中[5]。

果蠅與人類的多巴胺系統在進化上具有的保守性，成為建立果蠅的帕金森疾病模型的先決條件。此外，果蠅中樞神經系統的神經元和神經膠質細胞的數目與脊椎動物相當，且它們有相同類型的神經遞質系統如GABA(γ-氨基丁酸）、谷氨酸、多巴胺、5-羥色胺及乙酰膽堿等，能完成相當復雜的神經行為。以往大量的研究表明果蠅和人類之間有大量的基因和信號傳導通路是保守的，且我們已知在果蠅中有多種多樣的遺傳操作手段[6]。這些都使得果蠅成為發現新的疾病相關遺傳因子的有效工具，在其它動物模型則會相當困難。果蠅的神經系統相對于脊椎動物等其他物種來說相對簡單，因而對其生理、生化及解剖的研究相對簡單易行。但是它的神經系統又具有一定的復雜性，使得果蠅可以完成覓食、交配、求偶、學習記憶以及晝夜節律等復雜行為。果蠅無論在蛋白質分子基礎，還是信號傳導通路;無論是神經編碼方式，還是突觸傳遞機制，以及神經疾病的發生和病癥上，都與哺乳動物有高度的相似性。因此，以果蠅為模型，研究神經系統的一些基本問題，是一個簡捷而有效的途徑。

[1]萬永奇,謝維.生命科學與人類疾病研究的重要模型--果蠅[J].生命科學,2006,18(5):425-429.

[2]Rubin G M, Lewis E B. A Brief History of Drosophila’s Contributions to Genome Research[J].Science,2000,287(5461):2216-2218.

[3]St Johnston D. The Art and Design of Genetic Screens:DrosophilaMelano gaster[J].Nat Rev Genet,2002,3(3):176-188.

[4]Letsou A, Bohmann D. Small Flies - Big Discoveries: nearly a Century of Drosophila Genetics and Development[J].Dev Dyn,2005,232(3):526-528.

[5]Nusslein-Volhard C, Wieschaus E. Mutations Affecting Segment Number and Polarity in Drosophila[J].Nature,1980,287(5785):795-801.

[6]Adams M D, Sekelsky JJ. From Sequence to Phenotype: Reverse Genetics inDrosophilamelanogaster[J].Nat Rev Genet,2002,3(3):189-198.