模式生物黑腹果蝇的综述

Biology I

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Summary

黑腹果蝇,又称果蝇, 是生物学研究中广泛应用的一种功能强大的模式生物,它在上个世纪对科学领域作出了极大的贡献。本短片首先对果蝇这个生物体做了一个介绍,包括其生理特征,生命周期,生活环境和食物。然后解释了为什么果蝇是一个极好的模式生物。例如,果蝇在实验室的培养成本低廉, 其遗传学简单,生命周期短,可以快速进行大量样本数目的实验。接下来,我们将概括在果蝇研究领域的重大发现和杰出科学家,如托马斯·亨特·摩尔根。最后是果蝇研究应用的例子,从遗传学到心血管和神经发育及疾病。本短片将给您全面概述黑腹果蝇这个及其重要且有影响力的模式生物。

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JoVE Science Education Database. 模式生物I:酵母,果蝇和秀丽线虫. 模式生物黑腹果蝇的综述. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

黑腹果蝇,又称果蝇,是一种在腐烂水果附近会经常看到的小昆虫。果蝇作为模式生物被广泛用于科学实验中,对它的研究可以帮助我们了解真核生物遗传学和人类疾病。

首先,让我们对果蝇的生物结构进行了解。果蝇的身体分三个主要体节-头部,胸节和腹部体-另外还有一对翅膀和三对附肢。身体总长约2-4毫米,重约1毫克。通常雌性果蝇的体型比雄性大。野生型果蝇有红色复眼,身体呈浅黄或浅灰色,腹部有黑色条纹。

果蝇的生命周期约2星期,其中包含4个主要阶段:卵,幼虫,蛹和成虫。果蝇成虫的平均寿命在60-80天,其寿命可受到一些因素,如温度和饲养密度的影响。

果蝇在除南极洲外的各大陆都有分布。主要出现在热带气候环境,在偏冷的地方则通常在室内活动。

果蝇可在12-35°C环境下生存。在实验室里,我们将果蝇保存在温度25°C,湿度60%的培养箱中,使它们处于最佳生长和繁殖状态。

果蝇的主要食物来源是微生物,如生长在腐烂和发酵水果和蔬菜上的酵母。实验室中,我们用玉米粉,糖蜜,琼脂,糖,酵母粉和水制备果蝇饲料。

我们现在已经对果蝇有了简单的了解,接下来我们将讨论科研人员为何选择它进行研究。首先,果蝇的个体小,便于操作和麻醉。

保存和培养果蝇所需的成本低廉也是它们吸引研究人员的原因。

还要感谢它们短暂的生命周期,通常从交配开始到新成虫后代出现只需约两个星期。雌性果蝇的繁殖能力强,每天产卵数目可达几百。这样,使用果蝇做实验可以快速并可操作大量的样本。

果蝇的遗传学相对哺乳动物要简单,因而便于进行研究。果蝇的基因组仅包含四条染色体,约14000个基因。果蝇只有有限的遗传冗余性。遗传冗余性是指有多个基因负责同一个生物功能。例如,小鼠中可能存在有一个基因的三个拷贝控制着某特定表型。当其中一个发生突变,其他基因可以进行弥补,这样表型上观察不到发育或生理变化。因此在小鼠中做突变实验不太有用。 而果蝇中的一个基因可能仅有一套拷贝, 当该基因发生突变时,就会造成表型变化,从而使我们能了解该基因的特定功能。

此外,有不少方法可以用来引入突变,包括X射线或紫外辐射,还有同源重组。研究果蝇的科学家们在多年的研究过程中建立了一个很友好的交流平台,有大量的突变株和遗传工具可以方便获取。

最后,果蝇有着和人类和其他哺乳类及其相似的遗传属性,所以它是一个非常好的模式生物。果蝇有约50%的基因与哺乳动物基因同源,说明这些基因来自同一祖先。另外,75%与人类疾病相关的基因在果蝇中有直系同源体,或存在类似功能的基因。

现在我们已经知道了为何果蝇如此有利于实验研究。让我们再来看看在果蝇中已有的一些重大研究成果。20世纪初,果蝇最早在托马斯·亨特·摩尔根实验室被用做模式生物。1910年,摩尔根在一群红眼果蝇中发现了一只白眼果蝇。他在显微镜下观察染色体的分带模式,发现白眼的果蝇总有同样的分带模式。通过这些实验,他创立了遗传的染色体学说,并因此在1933年获得诺贝尔奖。

1927年,摩尔根的一个学生,赫尔曼·马勒发现X射线可以诱导突变,并在1946年获得诺贝尔奖。

70年代和80年代,刘易斯,福尔哈德和威斯乔斯通过筛选发现了多个在发育中的必要基因。他们确认了控制胚胎中背-腹轴和前-后轴形成的基因,和参与决定形体模式,也就是体节发育的基因。他们三人共同获得1995年的诺贝尔奖。

1990年,朱尔斯·霍夫曼利用果蝇研究先天免疫,指机体抵御病原生物,如细菌的第一道防线。他发现了Toll样受体,并证明了它们在识别和抵御病原生物中的重要性。这里我们看到的是果蝇胚胎血细胞,它们是在果蝇胚胎中能识别并防御病原生物的一类细胞。2011年,霍夫曼因其在先天免疫系统的工作,与研究哺乳动物先天免疫的布鲁斯·巴特勒和拉尔夫·斯坦曼共同获得诺贝尔奖。

果蝇的研究还可应用于了解人类神经性疾病。比如在果蝇中表达参与帕金森病的基因,会导致神经元逐渐消失,蛋白聚集的增多,最终造成运动能力下降。

果蝇的研究还带来了关于人类心脏发育和功能方面的重要讯息。许多与心血管功能相关的基因在果蝇和人类中保守。同人类相似,运动训练可以大幅提高完成体能任务的能力。

您刚观看的是JoVE介绍黑腹果蝇的短片。本短片中,我们讲述了果蝇的特征,它成为高效模式生物的原因,以及其相关的重大发现和应用。尽管果蝇外观上和人类大不相同,但对果蝇的研究是我们用于了解人类发育和疾病的一个重要来源。时间会告诉我们果蝇的研究将来还会带给我们什么样的惊喜。

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