模式生物相关知识

动物

Caenorhabditis elegans 秀丽隐杆线虫

有5对常染色体和1对性染色体，XO型。雌雄同体个体和雄性个体。世界上第一种完成全基因测序的多细胞生物（1998年）。

• 话说为什么不是雌雄同体和雌性呢？我猜是因为少量的雄性就可以为大量的雌雄同体受精，这样种群中多为自交个体，罕有异交个体，既保证后代数目，又具有充分异交。

生活史：发生四次蜕皮，经历L1→L2→L3→L4→L5。L5即是成虫期。

Dauer幼虫：食物匮乏、种群增加(信息素增加)、温度升高时，幼体所经历的发育时期。可以理解为一个特殊的L3时期。

• 在L1后期，幼虫决定是否要称为dauer；若决定成为Dauer，其L2不会蜕皮为L3，而是蜕皮为Dauer。
• Dauer的角质层含有alae，比较细，口腔内有一塞子塞住，其咽不会泵送。这些特征使其具有对1%SDS的抵抗力，可用于从培养基中分离Dauer幼虫。
• 环境好转，Dauer会直接蜕皮为L4，跳过L3阶段。

使用NGM（nemathod growth media）平板，培养OP50菌株大肠杆菌。线虫即以OP50大肠杆菌为食。

线虫数据库详见：https://wormbase.org。

Drosophilidae 果蝇

雌雄果蝇（图源网络）

果蝇常见突变体

果蝇为二倍体昆虫，每一体细胞有8条染色体（2 n =8），可配成4对，其中3对为常染色体，1对为性染色体。

• 果蝇的性别决定类型为XY型，但Y染色体在性别决定中不起作用，其性别决定与性指数（X/A）有关。 当 X/A =1时为雌性； X/A =0.5时为雄性；0.5<X/A <1时为中间性； X/A>1时为超雌； X/A <0.5时则为超雄。 一般情况下，雌果蝇为XX，雄果蝇为XY。

果蝇培养基的配方主要包含水、玉米粉、大豆粉、蔗糖、麦芽糖、酵母、琼脂、丙酸和苯甲酸钠等。

• 果蝇主食并非加入的糖类，而是酵母。
• 这些酵母实际来自于果蝇身上携带的野生酵母，原本加入的酵母粉在煮沸杀菌过程中已经被杀死。加入酵母粉的目的是给果蝇身上的酵母提供核酸等营养（酵母：我从尸山血海上站起……）
• 丙酸与苯甲酸为防腐剂。

生活史：卵→幼虫（一龄至三龄）→蛹→成虫。

• 卵长约0.5毫米、白色，前端背面伸出一触丝。
• 新羽化的果蝇（雌雄皆有）腹部左侧具一黑斑，实则为未排泄的胎粪，可作为未交配果蝇的筛选标志。
• 果蝇的羽化（从蛹变为蝇）时间有一定昼夜节律，野生品种只在一天的特定时刻出蛹，周期是24小时。影响昼夜节律的野生型基因per及其三个等位基因per 5 、per L 、per 01 都仅位于X染色体上，突变基因per s 、per L 、per 01 分别导致果蝇的羽化节律的周期变为19h（per 5 ）、29h（per L ）和无节律（per 01 ）。

关于果蝇的数据可查询：https://flybase.org/rnaseq/profile_search

果蝇的两性差异

性状	雌性	雄性
体型	大	小
腹部	似椭圆形，较膨大，末端尖	似圆筒状，末端钝圆
腹部背面	5条黑纹	3条黑纹，最后一条粗，延伸到腹面
腹部腹面	6个腹片	4个腹片
前足	无性梳	有性梳

果蝇常见性状及突变体

Danio rerio 斑马鱼

鲤形目鲤科短担尼鱼属。有25对染色体，基因组大小约1.5Gb，共含有约32000个基因。其中，1号染色体大小约60Mb，占斑马鱼全部基因组的4%。

• 斑马鱼缺乏可识别的异形性染色体，性别由多个基因决定，受环境影响。 最近，4 号染色体已被确定为性染色体，而 5 号和 16 号染色体上的少数性连锁基因座也被确定为性染色体。
• 斑马鱼的 FTZ-F1基因备受关注，因为它们参与调节间肾（肾上腺皮质的前体）的发育，从而调节类固醇生物合成，并且它们的表达模式与生殖组织的分化和功能相一致。 斑马鱼在暴露于雌激素后会发生性别逆转，这表明雌激素水平在性别分化过程中至关重要。 Cyp19基因产物芳香化酶可将睾酮转化为17β-雌二醇，当芳香化酶受到抑制时，会导致雄性向雌性的性别逆转。

视频截图（此为实验室培养斑马鱼胚胎，不具卵壳，而正常发育的斑马鱼局限在透明卵壳内发育）

斑马鱼的胚胎发育：具有普通硬骨鱼胚胎发育的一般特点，包括受精卵、卵裂、囊胚、原肠胚、神经胚、三胚层分化及出膜等时期。

• 受精卵为典型的非粘性沉性卵，受精后10分钟释放第二极体。
• 卵裂期细胞分裂速度呈现极性差异：动物极细胞每15分钟分裂一次，植物极分裂速度显著减缓‌。

• 卵黄多核层（YSL）在囊胚期形成，由植物极的合胞体细胞核构成，对胚胎背腹轴建立和外包运动起关键作用‌。
• 囊胚期细胞向植物极扩展时，会启动外包运动（Epiboly），通过细胞迁移包裹卵黄；此过程在胚环阶段短暂暂停，随后胚盾形成并引导背腹轴建立‌。
• 胚盾由动物极细胞聚集形成，类似两栖类胚胎的“组织者”，调控后续器官原基的分化‌。
• 盾板期指原肠胚期胚盾延伸阶段，此时期胚胎对物理压力敏感，轻微挤压易导致神经管闭合缺陷‌。
• 原肠胚期糖原代谢异常会导致胚乳形成受阻，影响内胚层细胞的内卷运动‌。
• 原肠胚期结束时，未被完全包裹的卵黄会形成卵黄栓，最终被完全包入胚胎内部‌。
• KV结构（Kupffer's vesicle）：在6体节期（受精后12小时）出现，负责左右体轴不对称性的建立，类似哺乳动物的节点（Node）‌。
• 孵化前幼鱼分泌胰蛋白酶样物质溶解壳层，而非物理撞击破膜‌。

胚胎发育延时视频：https://v.qq.com/x/page/a13381z4g5x.html?ptag=bing.com

斑马鱼的数据库：https://zfin.org/

Mus musculus 小鼠

实验室常用小鼠的核型为40条染色体，性别决定为XY型，Y染色体携带关键性别决定基因‌SRY‌‌。

• 除Y染色体外，均为端着丝粒染色体（单臂染色体），这与人类染色体差异巨大。
• 小鼠与人类基因组同源序列的相似性达98%【注：同源性只有“同源”和“非同源”的区别，不能说“98%的同源性”。】。

BALB/c小鼠C57BL/6J小鼠 C3H/He小鼠（图源网络）

小鼠品系分类：

一、近交系（Inbred Strain）

通过连续20代以上同胞兄妹交配培育，基因纯合度达99%以上，遗传背景高度均一，适用于精准实验研究。（近交系的每一个体可当作单一个体研究）

• BALB/c：毛色纯白，易发动脉硬化，对放射线敏感，广泛用于单克隆抗体制备和免疫学研究（如浆细胞杂交瘤生长）‌。
• C57BL/6J:黑色被毛，寿命长、适应性强，是使用最广泛的近交系之一‌。易诱导肥胖和动脉粥样硬化，适用于代谢疾病、神经生物学及遗传学研究‌。
• C3H/He：野鼠色或白色，乳腺癌自然发生率85%-100%（雌性6-10月龄），肝癌发生率85%（14月龄雌性），用于肿瘤机制研究‌。

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二、封闭群（Outbred Stock）

无近亲交配，群体基因多样性高，适合大规模实验需求。

• 昆明小鼠（KM）：白色被毛，适应性强、繁殖率高，源于瑞士白化小鼠，1946年引入中国昆明后本地化培育‌。用于药理学、毒理学及微生物学等需大样本量的研究‌。
• ICR小鼠：白色被毛，生长快、抗病力强，实验重复性优异，广泛用于药物筛选和基础医学研究‌。

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三、突变系（Mutant Strain）

裸鼠（图源网络）

很有趣的图：肥胖症小鼠

携带特定基因突变，模拟人类疾病表型。

• 裸鼠（nu/nu）：无毛、胸腺发育缺陷，T细胞免疫功能缺失，支持异种肿瘤移植及免疫学机制研究‌。
• 肥胖症小鼠（ob/ob）：基因突变导致肥胖、高血糖和不育，用于代谢综合征及糖尿病研究‌。
• 糖尿病小鼠（db/db）：皮下脂肪异常沉积，血糖水平显著升高（可达6.82mg/mL），雌性无生殖能力，用于糖尿病病理机制探索‌。

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四、转基因动物（Genetically Modified）

基因编辑技术构建的疾病模型。

• 肿瘤易感小鼠;特定癌基因失活或过表达，用于癌症发生机制及靶向治疗研究‌。

• 人源化小鼠；移植人类肿瘤类器官或免疫细胞，模拟个性化治疗反应，但需克服免疫排斥问题‌。

小鼠数据库：https://www.informatics.jax.org/

Rattus norvegicus 大鼠

SD大鼠（图源网络）

体细胞有42条染色体，性别决定与Y染色体结构与小鼠相似。

ACI大鼠（图源网络）

大鼠品系分类：

‌一、近交系

• ‌ACI‌：黑色（野生色），腹部白色，易发遗传缺陷（如肾发育不全、睾丸萎缩）‌。

• ‌F344‌：白化品系，肝代谢率高，自发肿瘤率高。
• ‌LOU系列‌：LOU/CN（浆细胞瘤高发）和LOU/MN（低发），用于单克隆抗体制备‌。‌
• LEW‌：源于Wistar，甲状腺素和生长激素水平高，易诱发自身免疫疾病（如心肌炎、关节炎）‌。‌
• SHR（自发性高血压大鼠）‌：源于Wistar，高血压发病率100%，心血管疾病研究核心模型‌。

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二、封闭群

• ‌Wistar大鼠‌：1907年培育，头部宽、耳长尾短，性周期稳定，抗病力强‌。
• ‌SD大鼠（Sprague Dawley）‌：1925年由Wistar改良，头部狭长、尾长接近身长，生长快且呼吸系统抗病力强‌。

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‌三、 突变系

• ‌SHR（自发性高血压大鼠）‌：源于Wistar，高血压发病率100%，心血管疾病研究核心模型‌。

• ‌SHR/Ola‌：高血压合并代谢综合征模型。
• ‌免疫缺陷大鼠‌：如裸鼠（BALB/c-nu）。
• ‌代谢性疾病模型‌：如GK大鼠（自发性糖尿病）、OBOB（肥胖症）。

• ‌神经退行性疾病模型‌：如APP/PS1（阿尔茨海默病）、PDGF-α-SynucleinA53T（帕金森病）‌。
• ‌心血管模型‌：DA大鼠（高血压）、WKY大鼠（正常血压对照）‌。

最常用的两个品系：Wistar大鼠‌‌、SD大鼠。

• 一些想法：为什么实验室常用“小白鼠”？也许是因为白化是一种好区分的隐性性状，在筛选纯合个体时有着一定的标志作用吧，再加上白化品系多是较早被选择并近交，获得均一遗传背景的品系，且因此有着较高的驯化程度，性情较温顺。

大鼠数据库:https://rgd.mcw.edu/wg/portals/

Oryctolagus cuniculus f. domesticus 家兔

‌2n=44‌，性别决定为XY。

解剖与生理实验价值：

• 兔子的胸腔被纵隔完全分隔为左右两腔，开胸时无需人工呼吸即可维持单侧功能。
• 兔脚垫是唯一具有汗腺的部位，在发热模型或环境适应性实验中需特别监测脚垫湿度‌。
• 耳缘静脉粗大透明，便于采血，麻醉，注射，空气栓塞处死等操作。
• 后肢胭淋巴结位置表浅，是淋巴注射技术的理想训练点，常用于免疫学或药物递送实验的示教操作‌。
• 双子宫，允许在同一动物体内同步开展不同药物或激素作用的对照实验。
• 家兔缺乏呕吐反射的特性，方便给药。
• 颈部具独立减压神经分支，以此研究血压调节。
• 可建立疾病模型，制备抗体，检测药物毒性、细菌毒素热原（具有热敏感性）和生物制剂效价。

主要使用的封闭群：日本大耳白兔，新西兰白兔，青紫兰兔，中国白兔。

Macaca mulatta 恒河猴

恒河猴与人类遗传相似度超过93%，是现存非人灵长类中与人类遗传距离最近的物种之一‌。因此恒河猴的实验热点集中于心理学，行为学，神经科学的研究，还可进行药物毒性试验和免疫实验。

‌这就不得不提备受争议的哈洛实验：

• 母爱实验：将新生恒河猴分别放置在两种不同的“母亲”模型中。一种是金属丝制成的“硬妈”，提供食物但没有舒适感；另一种是覆盖着柔软布料的“软妈”，没有食物但提供舒适感。实验结果显示，恒河猴更倾向于选择布料“母亲”而不是金属丝“母亲”。
• 社会隔离实验：哈洛将恒河猴从出生起就隔离，单独饲养，长时间不与其他猴子接触。结果显示，这些被隔离的猴子表现出严重的社会和情感问题，随着被隔离时间的延长症状加重，甚至绝食而亡。而提供“软妈”模型并每日与其他猴子接触20min的猴子行为发育并无异常。
• “铁娘子”实验：只提供一个会向小猴子发射铁钉、吹高压冷气，发出怪异声音的“软妈”时，小猴子会一边尖叫，一边紧紧地抱住妈妈，不肯离去。
• “绝望之井实验”：用完全封闭只有食物供应的装置复现抑郁症症状。
• ”rape rack“：译为强暴架，受虐母猴虐待亲生幼猴。

非洲爪蟾（图源网络）

非洲爪蟾的卵母细胞（图源网络）

Xenopus laevis 非洲爪蟾

负子蟾科爪蟾属，终生水生，异源四倍体， ‌2n=36‌，由两种不同的二倍体祖先（2n=18）杂交后基因组加倍形成‌。

• 两个亚基因组表现不对称进化，一个亚组表现出保留祖先基因状态，另一个亚基因组表现出更多的基因丢失、删除、重排和基因表达降低。
• 不同于大多数两栖类的ZW性别决定，非洲爪蟾为XY型。

非洲爪蟾卵母细胞（一般是次级卵母细胞，未排出第二极体，常将其与卵细胞混淆）是分子生物学中重要的研究对象。

• 使用非洲爪蟾卵母细胞研究水通道蛋白CHIP28的功能，使得其成为研究膜蛋白功能的经典范式。
• 研究核定位序列与设计肿瘤给药靶点。
• 富含营养，具备分裂条件，可进行核移植实验，作为指定mRNA表达体系，检验母源因子效应，解析基因表达调控功能。
• 进行黑色素沉积实验。
• 细胞周期调控研究与成熟促进因子（MPF）的发现。
• 观测减数分裂停留在双线期时出现的灯刷染色体（这就不是用次级卵母细胞了）。

胚胎再生力强，可进行各种细胞移植与再生实验。

Echinoidea 海胆

海胆早期胚胎发育

主要用于胚胎发育研究。

海胆胚胎在发育初期通过细胞质组分的不均等分配建立关键分区，具体机制如下：

一、极性分区形成：

• 受精卵的细胞质中存在动物极（顶端）和植物极（基部）的天然极性分化。动物极富含调控纤毛分化和外胚层形成的物质，而植物极包含内胚层和中胚层发育所需的调控因子‌。
• 受精后，植物极区域出现灰色新月体结构，灰色新月体区域表达调控细胞迁移的基因（如Snail），促进植物极细胞在原肠期的主动内陷行为‌。
• 动物极通过Wnt/β-catenin信号抑制植物极特性，而植物极分泌Nodal和BMP等形态发生素，驱动内胚层分化‌。

二、卵裂阶段的细胞质分配：

• 全裂型辐射卵裂。
• 前两次卵裂‌沿胚胎对称轴进行均等分裂，4细胞期各细胞仍保留完整的动物极、植物极和灰色新月体组分，具备全能性‌。
• 第三次卵裂‌方向垂直于对称轴，导致细胞质分配不均，尤其是植物极物质偏向于下层细胞，上层细胞逐渐失去形成完整胚胎的能力‌。

植物

Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. 拟南芥

又名阿拉伯芥、鼠耳芥，十字花科。135Mb（对于植物而言相当小），5条染色体，不存在性染色体。在六周内可以完成生命周期。

• 成熟的胚囊是蓼型，七细胞七核（两个极核融合为单个二倍体的核）。

• 干柱头，实心花柱。
• 拟南芥中HDA6和HDA19蛋白可形成三类植物特有的复合体（SANT、ESANT、ARID），通过组蛋白去乙酰化或非组蛋白途径调控逆境应答基因，维持植物生长与胁迫响应的平衡‌。
• 拟南芥可通过“浸花法”将花序直接浸泡于农杆菌溶液中实现基因转化，无需组织培养再生植株，操作简便且转化效率高。
• 温度太高或光照异常时，花朵可能偏向“雌性化”（雄蕊发育受抑制）。

拟南芥被用作野生型的生态型主要有三种：Col，ler，Ws。

• Columbia (Col)：目前最广泛使用的生态型，实验室中提到的“野生型”通常指Col-0，基因组测序也以此为参考标准‌。
• Landsberg erecta (Ler)：早期研究中的主要生态型，因携带人工诱变位点逐渐被Columbia替代‌，但在突变体库中仍有一定应用。
• Wassilewskija (Ws)：常用于特定突变体研究，例如某些基因突变体仅存在于Ws背景时需选用‌。

  

  不同生态型拟南芥的区别（图源网络）

拟南芥数据库：https://1001genomes.org

原生生物与微生物

Yeast 酵母

裂殖酵母（图源网络）

芽殖酵母（图源网络）

分为子囊菌门酵母‌，担子菌门酵母，假酵母（裂殖酵母），常见酵母为子囊菌门酿酒酵母，单倍体，n=16

• 芽殖酵母的‌SIR复合体‌（Silent Information Regulator）通过靶向H3K9乙酰化缺失区域，在端粒、rDNA和交配型基因座建立三维异染色质结构。其沉默效率与SIR2（NAD⁺依赖性组蛋白去乙酰化酶）的亚细胞定位动态相关，该机制与哺乳动物X染色体失活存在同源性。
• 某些裂殖酵母株系携带‌线性质粒（killer plasmids）‌，编码毒素-抗毒素系统。其中pGKL1质粒利用病毒样整合机制，通过RNA聚合酶III转录产生反义RNA，沉默宿主核基因，这一机制被视为原始CRISPR系统的进化前体。
• 酵母rDNA区域（~150次重复）通过‌Fob1p介导的重组热点‌维持拷贝数稳定性。复制叉停滞引发同源重组，导致重复序列的扩增或丢失，该过程被用于模拟人类脆性X染色体综合征的DNA不稳定性。
• 酵母中存在一类被称为‌“配子杀手基因”（Gamete Killer Genes）‌的自私遗传元件。杀手基因在减数分裂I后期激活毒药系统，导致不含该基因的配子（如野生型配子）被清除，使子代中基因传递比例显著偏离孟德尔定律（如从50%升至90%以上）‌。多数杀手基因位于非重组区域（如端粒或着丝粒附近），通过抑制同源重组减少自身丢失概率，增强遗传稳定性‌。毒杀作用分子机制为毒药-解药系统（Poison-Antidote System）‌‌，含有毒药蛋白，解药蛋白两个组分。毒药蛋白（Poison）‌是由短转录本编码的跨膜蛋白，可无差别杀伤所有配子。例如裂殖酵母的‌wtf基因家族‌（如cw9、cw27）在减数分裂期高表达短转录本，破坏配子膜结构或干扰能量代谢。解药蛋白（Antidote）‌是由同一基因的长转录本编码，通过特异性结合或中和毒药蛋白，仅保护携带该基因的配子。这种双转录本策略确保基因携带者存活率提升至近100%‌。

Escherichia coli 大肠杆菌

肠杆菌科埃希氏菌属，革兰氏阴性短杆菌，周生鞭毛，能运动，无芽孢。

• 约15%临床分离株携带小于10 kb的‌隐秘质粒‌（如pCERC3），缺乏典型耐药基因，但编码‌接合转移相关蛋白‌，可通过高频水平转移增强菌群遗传多样性。
• 其抗原包括菌体抗原（O抗原）、鞭毛抗原（H抗原）和表面抗原（K抗原），其中O抗原由LPS多糖链构成，可发生S-R（光滑型-粗糙型）变异，导致免疫逃逸。H抗原的相位变异可影响运动能力，K抗原能抵抗吞噬作用‌。

大肠杆菌数据库：https://www.ecocyc.org/

Phage 噬菌体

实验室中常用的噬菌体品系及其特点和应用场景：

T7噬菌体（图源网络）

一、T系噬菌体

• ‌T4噬菌体‌：宿主‌为大肠杆菌B菌株。烈性噬菌体，呈蝌蚪状，含双链线性DNA；基因组约200个基因，编码结构蛋白、复制酶及裂解酶。其DNA连接酶可连接黏性/平末端，广泛应用于分子克隆‌、研究DNA复制机制、基因编辑工具开发。

• T7噬菌体‌：宿主‌为大肠杆菌。双链DNA噬菌体，基因组简单（约40 kb，含56个基因），复制周期快。早期基因编码T7 RNA聚合酶，可独立启动宿主外源基因转录‌。应用于高效体外蛋白表达系统、基因工程载体构建。

M13噬菌体（图源网络）

二、丝状噬菌体

• M13噬菌体‌：宿主为大肠杆菌F+菌株。单链DNA噬菌体，慢性感染宿主，不裂解细胞。基因组含多克隆位点和LacZ标记基因，易插入外源DNA片段（300-400 bp）‌，应用‌于噬菌体展示技术（如抗体库筛选）、单链DNA模板制备‌。

三、其他噬菌体

• ‌RNA噬菌体‌：来自囊状病毒科（dsRNA）、光滑病毒纲（ssRNA）‌。应用‌于病毒复制机制研究，但相对少用。

Tetrahymena 四膜虫

梨形四膜虫（图源网络）

纤毛虫门寡膜纲四膜目。大核呈多倍性（45C），负责营养代谢；小核（若有）为二倍体，基因沉默，仅接合生殖时参与遗传重组‌。

• 嗜热四膜虫（T. thermophila）是端粒酶机制的发现模型。
• 过氧化物酶体功能特殊：可高效降解有机磷农药（如甲胺磷），其代谢产物对细胞凋亡的调控路径与哺乳动物存在趋同性‌。
• 具有罕见金属硫蛋白类似物：接触镉（Cd²⁺）后，细胞会诱导合成含半胱氨酸的金属结合蛋白，其分子量约10 kDa，与哺乳动物金属硫蛋白同源性低‌。

四膜虫数据库：https://tet.ciliate.org/