线虫发育模式的阐述及相关思考

摘 要 目前，在发育生物学研究中，线虫（Caenorhabditis elegans）是一种主要的模式动物，其发育细胞数目少且细胞谱系恒定。在这里，本文作者希望通过对线虫发育模式的了解和探究来大致阐述线虫适于进行遗传分析的原因及相关的思考与启发。

目前，在发育生物学研究中，线虫（Caenorhabditis elegans）是一种主要的模式动物，其发育细胞数目少且细胞谱系恒定。在这里，本文作者希望通过对线虫发育模式的了解和探究来大致阐述线虫适于进行遗传分析的原因及相关的思考与启发

关键词 线虫；发育；遗传分析

中图分类号Q95 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）102-0145-02

1 胚胎的发育过程

1.1胚胎发育和胚后发育

线虫的卵较小，受精后形成极体。在雌雄原核融合前有一次可能无效的卵裂，但雌雄原核融合后真正意义的卵裂就开始了。第一次卵裂是不对称的，产生一个大的位于前端的AB细胞和一个小的位于后端的P1细胞。在第二次卵裂中，AB细胞分裂产生前端的ABa细胞和后端的Abp细胞。同时P1细胞分裂产生靠后端的P2细胞和靠前端的EMS细胞。此时，AB细胞进一步分裂主要发育为皮下组织、神经细胞和肌肉组织。同时，EMS细胞分裂成E细胞和MS细胞。前者发育成肠，后者发育成肌肉、腺体和神经细胞。P2分裂成P3细胞和C细胞。后者行成肌肉、皮下组织和神经细胞，前者分裂成P4细胞和D细胞。D细胞发育成肌肉，而P4细胞发育成生殖细胞。原肠胚形成开始于28细胞期，此时E细胞后代向内移动。整个发育过程中，某些特定细胞发生程序性死亡，因此并非胚胎发育过程中形成的所有细胞都能存活。新孵化的幼虫在整体上与成体相似，但还未达到性成熟，缺少性腺及其附属结构。c成虫中的附加细胞大部分来自P细胞（前体胚细胞），它们沿体轴分布。每种P细胞通过1-8次细胞分裂建立一个不变的细胞谱系。（细胞谱系是指从第一次卵裂起到最终发育成组织和器官细胞为止的发育史图示。）综上，线虫的胚后发育过程就象是在幼虫基本方案基础上增加一些成虫结构而已。

1.2关于线虫胚胎发育、胚后发育模式与动物遗传分析研究关系的思索与启发

1.2.1有丝分裂

卵裂的过程中细胞都是以有丝分裂方式进行增殖。由于胚胎透明，细胞数目有限，因此通过活体观察或染色等方式研究有丝分裂的过程及其相应遗传物质的变化就会显得可行。事实上，借助Novmaski显微镜，其发育的细胞谱系已经建立。因此，对于该生物发育过程中有丝分裂时遗传物质的变化与操作程序的研究已经是较为成熟的了。

1.2.2细胞分化

线虫胚胎在第一次不对称卵裂后就产生了有各自特定发育方向的细胞，说明其细胞的分化虽然还没正式开始，但其准备工作已经就绪。也就是说，其基因的选择性表达从卵裂一开始就已体现出来。而由于卵裂开始时其具有特定发育方向的细胞各自的数目都不多，加上胚胎呈透明色，通过该细胞的遗传物质研究来分析细胞分化时遗传物质的动向和操作机制将会显得更加典型和方便。所以说，从卵裂阶段开始追踪其细胞的遗传特点或许能进一步了解生物在发育期间细胞分化的遗传机理及其作用。另外，在各细胞的发育方向中，有不止一种细胞的发育方向为神经组织、皮下组织和肌肉组织。可见，该数种组织为各器官所必备的营养或支持组织，而其发生起源于该器官源细胞的周边细胞。这也有助于启发对生物发育过程中某些器官周围的器官或组织的源细胞的定位与研究。事实上，通过把分子中带有不扩散高分子葡萄糖的荧光染料注入创立者细胞，幼虫中每个部位细胞的家族史立时昭然若揭。在科学家们的努力下，该生物基因组中3000个基因已有约800得到了定位，其中某些种类的基因组已经被全部确定。同时，该生物从受精卵到成体一千多个细胞发育过程中的每一次细胞分裂都已被描述，其中与生殖系统、神经系统、运动系统等组织器官的发育与分化过程有关的基因多已被定位。结合生物分子学方法，一些基因开启、部位已经确定。人们渴望从中得到更为详细的关于各个基因在发育过程中何时表达、何部位表达和为什么能表达的信息，从而最终揭示生命发育过程的有序性和严格规定性。

1.2.3细胞凋亡

胚胎发育过程中出现的细胞程序性死亡说明该程序贯穿动物体整个生命历程，而其死亡基因也是从一开始就被某种机制启动了的。同时，蜕皮现象也能说明细胞程序性死亡的存在与意义。其死亡意义可能是因为该细胞已经衰老，也可能是其存在已对生命体继续发育构成了阻碍，从而不得不被清除。由于细胞总数有限，加上成体细胞数目恒定，细胞的凋亡过程也会相对明显。因此，通过对线虫胚胎细胞程序性死亡机理与过程的研究，同时通过对该过程中遗传物质动向的追踪，我们就能更好的了解遗传物质在细胞凋亡时起到的作用及其相应的操作基理。事实上，随着对凋亡好奇心的增长，人们越来越渴望了解细胞形态学变化背后的深层机制。恰当其时的，兴起于1960年代的分子生物学经过20年的发展，已经能为人们解决凋亡的分子医学问题提供足够的技术支持。到了1972年，由西德尼·布雷纳（Sydney Brenner）开创的以线虫为材料的研究道路为揭示凋亡的分子机制提供了一个绝佳视角。而约翰·萨尔斯顿（John Sulston）一手建立的线虫细胞谱系为嗣后罗伯特·霍维茨（Robert Horvitz）等人进行的凋亡基因研究提供了坚实基础。到1986年，有关线虫发育中凋亡的基因调控机制已经得到基本阐明。以线虫为起点，许多与人类细胞凋亡调控和癌症发生有密切关系的基因也陆续被发现。而发育生物学和医学中诸多领域的观念结构也随着凋亡及其相关机制研究的进展发生了根本改变。由于线虫研究开创了一个对今日生物医学发展具有举足轻重的全新领域，同时也因为以线虫为基础的凋亡研究对基础和应用生物学产生的巨大推动作用，2002年11月，卡罗林斯卡医学院的诺贝尔奖评选委员会将本年生理和医学奖授予了西德尼·布雷纳、约翰·萨尔斯顿和罗伯特·霍维茨。

2 成虫

2.1成虫的繁殖生育模式

线虫为雌雄异体，雄性较小。有少数为雌雄同体，更有一些只有雌体而无雄体，营孤雌生殖。还有一些虽有雄体，可仍出现孤雌生殖现象。线虫的生殖器官为细长管状，雌雄异体的种类中，雄性分化出了单个的精巢、输精管、储精囊、管，直肠为泄殖腔，为泄殖孔；雌性分化出成对的卵巢、输卵管、子宫及两条子宫汇合成的阴道，腹侧中线上有生殖孔。雌雄，子宫内受精。雌雄同体的物种则有两个卵巢、输卵管、藏精器及单一子宫。寄生种类产卵量巨大。

2.2关于对成虫繁殖生育模式与动物遗传分析研究关系的思索与启发

容易培养和保存，生活周期短，杂交实验操作简便，受环境影响因素小，遗传分析性状明显，变异一般可在显微镜下进行观察等优点使得线虫（以秀丽隐杆线虫为例）得以成为较为优良的杂交实验材料。事实上，线虫作为遗传实验材料最大的优点在于它具有自体异体两种能力。这一特性与两种性别的虫体在形态上的易分性给遗传分析带来了极大的方便。通过杂交，很容易引入各种遗传标记。比如要得到带有隐性的杂合子雄虫，只需挑选纯显雄虫和纯隐两性虫杂交，后代所得雄虫即为所需品种，因为只有异交才有雄虫的增殖。而通过自交，很容易得到隐性突变纯合子。观察杂合子两性虫自交后代的表型分离，很容易体现孟德尔的几个遗传定律。同时，各类突变体可用作多项遗传实验的材料，而以线虫为材料做基因克隆等分子生物学实验也是简便易行的。可见，成体线虫由于其特殊的模式与较快的繁育速度成为了比较理想的研究和分析基因遗传定律的模式材料。

3 实际案例

以下是部分利用线虫模式生物来研究生物遗传方面问题的实例：

1）细胞程序性死亡的遗传调控机制；

2）RNAi及其作用机制（与靶基因同源的双链RNA诱导的特异转录后基因沉默现象）；

3）秀丽线虫的功能基因组学及其它研究。

综上所述，线虫作为经典的模式生物，其本身是十分适合于各种与动物遗传分析相关的研究的。从发育过程中的细胞增殖、分化、凋亡，到成体成熟后的生殖，线虫都能在与遗传分析方面有关的科学研究中起到模式生物的作用。

其实，有关模式生物本身的研究一直在进行，而对线虫的研究也从来没有停滞过。全世界的线虫研究者始终坚持材料、资源、信息和数据的无偿共享，使这一领域的研究得以飞速发展。随着越来越多的研究者的加入，我们坚信秀丽线虫的研究必将继续为人类探索生命规律的调控机制做出更大贡献。

参考文献

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[8] 模式生物基础知识介绍有奖征集.

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