模式生物果蝇在科学研究中的应用分析

林晶晶

（福州大学，福建福州 350116）

模式生物是指用于研究、具有普遍规律生命现象的实验材料，噬菌体、大肠杆菌、酿酒酵母、海胆、果蝇、斑马鱼、线虫和小鼠，以及植物学研究中的拟南芥、水稻等都是最常见的模式生物。模式生物通常需要满足几个条件：（1）明确的遗传背景，繁殖快，子代多；（2）易实验操作；（3）无害、易获得，并在实验室内饲养和繁殖；（4）有利于解决目标问题，代表生物界的某一大类群。根据需要解决的问题，生物学家来选择合适的生物作为模式生物。

1 模式生物果蝇的贡献

在各种模式生物中，果蝇成就了不少大科学家，2017年三位诺贝尔生理学或医学奖获得者对控制生物钟基因的发现，就是得益于以果蝇为实验材料。果蝇是生物学家的得力助手，在遗传学、发育的基因调控、各类神经疾病、嗅觉、视觉的记忆等研究领域中，都有果蝇的身影。摩尔根和他的学生们以果蝇为实验材料，经过十多年的努力，进行了大量的实验，终于建立了完整的基因遗传学说，连锁遗传法则的建立是摩尔根对孟德尔遗传学的新贡献[1]。

果蝇（fruit flies），拉丁名Drosophila。黑腹果蝇是最普遍应用于遗传学的果蝇，也是奠定经典遗传学基础的重要模式生物之一，对其染色体组成和表型、基因编码和定位的认识，是其他生物无法比拟的。基于清晰的遗传背景和便捷的遗传操作，果蝇在发育生物学、生物化学、分子生物学等领域也都占据了不可替代的位置。1910年，美国遗传学家摩尔根以果蝇作为研究工具发表论文，同他的学生一起奠定了果蝇的百年辉煌。一百多年来，果蝇的研究对于遗传学、演化、发育生物学、神经生物学、细胞生物学和免疫学起到了十分中要的作用，从而推动了多个基础和应用学科的发展，间接影响甚广[2]。

2 模式生物果蝇的优势

2.1 果蝇的生活史和习性

果蝇作为模式生物有诸多优势：（1）果蝇为一种体形较小的昆虫，有4对染色体，且唾腺染色体特别大，容易观察；（2）生活周期短，10～14天就能完成一代；（3）喜欢腐烂的水果和发酵物，非常容易饲养；（4）遗传操作手段成熟，突变体资源丰富；（5）有较复杂的行为能力。这些特性决定了果蝇能作为观察遗传现象的实验材料最佳选择。果蝇的生活周期包括卵、幼虫、蛹和成虫四个完全变态的发育阶段，其中幼虫又分为一龄、二龄、三龄三个时期。从初生卵发育至新羽化的成虫为一个完整的发育周期，在25℃，60%相对湿度条件下，约为10天，控制养殖的温度可以加速和减缓果蝇的发育。果蝇个体幼虫在三龄时达到最大，约2mm，成年果蝇也仅2～3mm。新羽化的雌性成虫约8h之后即可交配，约40 h开始产卵，第4～5天出现产卵高峰。性成熟雌性果蝇生殖能力很强，产卵初期每天可达50～70枚，累计产卵可达上千枚。较短的生命周期及较强的繁殖能力使得研究者可以在短时间内培养繁殖出大量特定种系的果蝇，此外，果蝇有复杂的社会行为学，如打斗、求偶、觅食、运动、趋光性、趋触性、昼夜节律等，这些都给研究者观察和研究提供参考，使果蝇得以广泛应用于生物学研究，特别是系统发育学及遗传学等研究。

2.2 果蝇的相关遗传工具

作为有一定研究历史的生物，在果蝇中已经建立起一整套的遗传工具，如平衡致死系、P因子插入突变品系、缺失品系。更值得一提的是，还可以利用转座因子构建各种转基因果蝇、利用GAL4/UAS二元表达系统建立诱导基因表达品系、利用FLP-FRT在果蝇体内制造嵌合体（mosaic）[3]。几乎所有的神经退行性疾病的果蝇模型都是利用GAL4/UAS系统构建的，该体系的关键在于靶基因的表达是被UAS调控的，UAS为上游激活序列，在这套体系中，人类相关的转基因被克隆到带有UAS的质粒上。GAL4是酵母中的转录激活因子，GAL4基因和UAS-靶基因分别位于两个转基因品系中。在GAL4转基因品系中，只有转录激活因子，没有靶基因。在UAS-靶基因品系中，没有转录激活因子，故靶基因处于沉默状态。只有当GAL4蛋白结合到UAS上时，目标基因才可被转录。具体来说，当带有杂合UAS-GFP报告基因的果蝇和带有杂合GAL4表达系统的果蝇杂交后，它们的后代有4种基因型，其中一种后代果蝇就同时带有报告基因和GAL4表达基因，从而表达GFP荧光蛋白。利用不同的GAL4可以实现同一基因在不同组织及不同发育时期的功能的表达，并且实现这些基因在特定的时空上表达。此外，由于带有UAS-靶基因的转基因品系中没有GAL4的存在，此时靶基因处于沉默状态。因此如果该靶基因的表达是致死的，那该UAS-靶基因品系仍然能够存活。这一优势，使得利用GAL4/UAS系统可构建出带致死基因的转基因品系，这也可应用在指定靶细胞的敲除。充分利用这几套系统，可以使果蝇遗传学发挥其独特的魅力。果蝇中的这些遗传手段已运用在了解人类疾病的病理，在比较遗传学中得到的大量成果被经典的反向遗传学利用，即在鉴定出人类疾病相关的某个特定基因的果蝇同源基因后，通过这些遗传手段来操控减少或改变该基因的功能，或是提高该基因的表达水平[4]。

3 模式生物果蝇的研究意义

生命从低等缓慢进化到高等，许多基本生命活动方式还保持着许多相似性，这是模式生物研究策略能够成功的基础。基本的遗传学规律从果蝇到人很相似。果蝇的基因组测序已于2000年完成，75%的人类已知致病基因在果蝇中有同源序列。有些生物学过程，果蝇和人不是十分一致，却有相似的分子机理，胚胎发育的基因就是很好的例子。果蝇胚胎是功能合胞体，在早期胚胎分裂时，只有细胞核分裂，没有细胞膜分裂，直到几千个细胞核再开始形成细胞膜，变成分开的细胞。而哺乳类胚胎，当然是一个细胞分裂成为两个细胞，几千个都是分开的细胞，而不是几千个细胞核共用一个细胞。如此巨大的差别使很多人认为研究果蝇早期发育对人类无意义，但是在研究了控制果蝇发育的基因后，找它们的哺乳类（包括人类）的相应基因，结果发现不仅在原理上果蝇和人相似，而且在有些具体基因上也相似。因此，研究果蝇的发育为研究高等动物的发育带来了根本的突破。近年来，果蝇作为模式生物广泛应用于癌症、神经退行性疾病、免疫、衰老、行为学等的科学研究中[5]。

果蝇与人类的多巴胺系统在进化上具有的保守性，成为建立果蝇的帕金森疾病模型的先决条件。此外，果蝇中枢神经系统的神经元和神经胶质细胞的数目与脊椎动物相当，且它们有相同类型的神经递质系统如GABA(γ-氨基丁酸）、谷氨酸、多巴胺、5-羟色胺及乙酰胆碱等，能完成相当复杂的神经行为。以往大量的研究表明果蝇和人类之间有大量的基因和信号传导通路是保守的，且我们已知在果蝇中有多种多样的遗传操作手段[6]。这些都使得果蝇成为发现新的疾病相关遗传因子的有效工具，在其它动物模型则会相当困难。果蝇的神经系统相对于脊椎动物等其他物种来说相对简单，因而对其生理、生化及解剖的研究相对简单易行。但是它的神经系统又具有一定的复杂性，使得果蝇可以完成觅食、交配、求偶、学习记忆以及昼夜节律等复杂行为。果蝇无论在蛋白质分子基础，还是信号传导通路;无论是神经编码方式，还是突触传递机制，以及神经疾病的发生和病症上，都与哺乳动物有高度的相似性。因此，以果蝇为模型，研究神经系统的一些基本问题，是一个简捷而有效的途径。

[1]万永奇,谢维.生命科学与人类疾病研究的重要模型--果蝇[J].生命科学,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.