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/

植物

Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. 拟南芥

拟南芥（图源网络）

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‌。

拟南芥数据库：https://1001genomes.org