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1、模式生物技术概论模式生物技术概论小鼠遗传操作技术及其应用小鼠遗传操作技术及其应用 费费 俭俭同同济济大大学学生生命命科科学学与与技技术术学学院院上上海海南南方方模模式式生生物物研研究究中中心心人类基因组研究的艰巨挑战人类基因组研究的艰巨挑战人类基因组人类基因组人类基因组人类基因组30000-3500030000-35000个基因个基因个基因个基因 基因功能基因功能基因功能基因功能?“后基因组时代后基因组时代”人类基因组学研究的重点人类基因组学研究的重点1999:First chromosome fully sequenced(22)2000:Working draft completed 20
2、04:Human genome finished!什么叫模式生物（什么叫模式生物（Modelorganism）Technical difficultyComplexityDrosophilazebrafishmousehumanC.elegansyeast生物体由低等向生物体由低等向生物体由低等向生物体由低等向高等、由简单向高等、由简单向高等、由简单向高等、由简单向复杂的进化过程复杂的进化过程复杂的进化过程复杂的进化过程中，很多生物学中，很多生物学中，很多生物学中，很多生物学过程在不同生物过程在不同生物过程在不同生物过程在不同生物物种中是非常保物种中是非常保物种中是非常保物种中是非常保守的。因
3、此，可守的。因此，可守的。因此，可守的。因此，可以通过选择合适以通过选择合适以通过选择合适以通过选择合适的物种，对其开的物种，对其开的物种，对其开的物种，对其开展研究，获得对展研究，获得对展研究，获得对展研究，获得对生命基本规律或生命基本规律或生命基本规律或生命基本规律或者人类健康的认者人类健康的认者人类健康的认者人类健康的认识，这样的物种识，这样的物种识，这样的物种识，这样的物种就称为模式生物就称为模式生物就称为模式生物就称为模式生物模式生物的选择有利于回答和解决研究者关注的问题繁殖容易，周期短，研究成本低遗传背景清楚，有遗传操作的手段表型分析容易人口与健康领域研究中常用的模式生物大肠杆菌（
4、Escherichia coli）酵母（Saccharomyces cerevisiae）线虫（Caenorhabditis elegans）果蝇（Drosophila melanogaster）斑马鱼（Brachydanio rerio；zebrafish）非洲爪蟾（Xenopus laevis）小鼠（Mus musculus）大鼠（Rattus rattus）Escherichia coli(E.coli)大肠杆菌（E.coli）属肠细菌家族（Shigella,Salmonella,Yersinia，etc），在自然界中广泛存在适合实验室培养（可以液体培养和固体培养），安全，培养条件简单，
5、生长迅速，克隆方便，基因操作简便是分子生物学，遗传学和生物化学研究中的重要模式生物也用于人类感染性疾病和其他微生物研究的模式生物1997完成测序，4.3M，4400 基因，近一半功能不清Saccahromyces cerevisiae啤酒酵母（Saccahromyces cerevisiae）单细胞的真核生物，适合实验室培养（可以液体培养和固体培养），安全，克隆方便，基因操作简单可以有丝分裂，也可以出芽繁殖，可以以单倍体和双倍体生长是分子生物学，遗传学，生物化学，真核细胞周期调控，信号转导等研究的重要模式生物16条染色体，12M，约6000个蛋白编码基因，基因结构紧凑Caenorhabditi
6、s elegansThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 2002for their discoveries concerning genetic regulation of organ development and programmed cell deathSydney BrennerH.Robert HorvitzJohn E.Sulston1/3oftheprize1/3oftheprize1/3oftheprizeUnitedKingdomUSAUnitedKingdomTheMolecularSciencesInstituteBerkel
7、ey,CA,USAMassachusettsInstituteofTechnology(MIT)Cambridge,MA,USATheWellcomeTrustSangerInstituteCambridge,UnitedKingdomb.1927(inUnionofSouthAfrica)b.1947b.1942线虫（Caenorhabditis elegans）成虫大小：1mm，实验室饲养简单，生命周期短，保种方便，大部分为雌雄同体（雄虫占0.05%），N2是目前实验室常用的野生型品种成虫由959个细胞构成（Caenorhabditis elegans），其中302个细胞为神经细胞；所有的
8、细胞谱系清楚，成虫过程中有131个细胞经历凋亡是研究发育（细胞命运决定）、神经系统的重要模式生物遗传操作手段成熟（转基因和RNAi）基因组：5对常染色体，1对性染色体，97M，约20000个基因LifecycleofC.elegans.One of the advantages of working with C.elegans is that it has a short life cycle.The life cycle is temperature-dependent.C.elegans goes through a reproductive life cycle(egg to egg-
9、laying parent)in 5.5 days at 15C,3.5 days at 20C,and 2.5 days at 25C.C.elegans eggs are fertilized within the adult hermaphrodite and laid a few hours afterward-at about the 40 cell stage.Eggs hatch and animals proceed through 4 larval stages,each of which ends in a molt.When animals reach adulthood
10、,they produce about 300 progeny each.They live a total of about 2 weeks.Note that C.elegans can adopt an alternative life form,called the dauer larval stage,if plates are too crowded or if food is scarce.Dauer larvae are thin and can move but their mouths are plugged and they cannot eat.Interestingl
11、y,dauers can remain viable for three months.They appear to be non-aging:dauer larvae can roam around for months and then reenter the L4 stage when they encounter a food source and live about 15 more days!Think about it-those worms can live nearly 10 times their normal lifespan!Cell Lineage Tree of C
12、.elegans,focusing on the gut.For some animals,such as C.elegans,the complete lineage and type of every cell is worked out.Full cell lineage for C.elegans,worked out by John Sulston and colleagues using microscope,eye,sketchbook and patience.Drosophila melanogaster果蝇（Drosophila melanogaster）个体小，3mm，适
13、合实验室饲养，生命周期短（2周），繁殖力强（数百个卵）具有成熟的遗传操作的方法，具备众多的突变品系，有特殊的染色体结构（多线染色体，可分成102条区带）有比较复杂的行为能力是遗传学，发育生物学理想的模式生物3对常染色体，1对性染色体（X，Y）；165M，14000基因Mendel:Segregation and AssortmentABCMorgan:Linkage and recombinationDabc dEeThese traitssegregateThese traitsassort(independently)cRNA;mRNATranslationModificationSort
14、ingFunction analysiszebrafish(Brachydanio rerio)斑马鱼（zebrafish；Brachydanio rerio）个体小（4cm），淡水饲养，繁殖周期短（3个月），产仔频繁，量高，适合实验室养殖脊椎动物，胚胎发育周期短，胚胎透明遗传操作方法成熟（Morpholino）具有大量突变体，已证明在多方面可以模拟人类疾病模型25对染色体，168M，30000基因Cell fate of Fish BlastulaManipulation of microinjector and dissection microscope.The orientation o
15、f egg is cell upward and yolk downwardAccomplishment of one microinjection is shown by the appearance of phenol red in the cell.青鱂（madaka）红鲈（Sheepshead Minnow）河豚（Fugu）Effector CellsMacrophages B cells T cells NK cells Neutrophils Effector ProteinsAntibody Ig M and IgD IgM,IgD,IgA,IgE,IgGMHC TCR Cyto
16、kines Complement Fish vs.Mammalian Immunitymus musculus 最小的哺乳动物之一最小的哺乳动物之一最小的哺乳动物之一最小的哺乳动物之一(25-40g)(25-40g)，世代周期短，世代周期短，世代周期短，世代周期短 生物进化上与人类接近生物进化上与人类接近生物进化上与人类接近生物进化上与人类接近(60-75 (60-75 百万年百万年百万年百万年)胎盘形成和早期胚胎发育与人类相近胎盘形成和早期胚胎发育与人类相近胎盘形成和早期胚胎发育与人类相近胎盘形成和早期胚胎发育与人类相近 组织器官结构和细胞功能与人类相似组织器官结构和细胞功能与人类相似组织器
17、官结构和细胞功能与人类相似组织器官结构和细胞功能与人类相似 有高级神经活动有高级神经活动有高级神经活动有高级神经活动 小鼠基因组测序计划已完成小鼠基因组测序计划已完成小鼠基因组测序计划已完成小鼠基因组测序计划已完成 人类人类人类人类99%99%的基因存在于小鼠，基因同源性高达的基因存在于小鼠，基因同源性高达的基因存在于小鼠，基因同源性高达的基因存在于小鼠，基因同源性高达78.5%78.5%基因组基因组基因组基因组93%93%的区域基因排列顺序与人类相同相同的区域基因排列顺序与人类相同相同的区域基因排列顺序与人类相同相同的区域基因排列顺序与人类相同相同 基因组改造的技术手段成熟基因组改造的技术手
18、段成熟基因组改造的技术手段成熟基因组改造的技术手段成熟小鼠作为模式生物的优势小鼠作为模式生物的优势Whyme?Whyme?HumanMouseHumanMouseEnsemblgenepredictions2353126762Ensemblgenepredictions2353126762Pseudogenes17441455Pseudogenes17441455Genscangenepredictions65010100246Genscangenepredictions65010100246Ensemblgeneexons225897219510Ensemblgeneexons2258972
19、19510Ensemblgenetranscripts3160934076Ensemblgenetranscripts3160934076AssemblyStatisticsofHumanandMouseGenomes(2004.2.8)(2004.2.8)50%genefunctionunknown!50%genefunctionunknown!90%geneinvivofunctionunknown!90%geneinvivofunctionunknown!人类人类人类人类小鼠小鼠小鼠小鼠人类和小鼠基因组的相似性人类和小鼠基因组的相似性Model Organism DatabasesSci
20、ence 287:1265-1269.2000WTWTTGTGTGTGTGTGHoHomAbhAbhAbLewy bodyX2500X15000Science 295:865-868,2002GAL4DOPA decarboxylase gene promoterUASalpha-synucleinWTTGHsp70 TGHsp70 protected against a-synucleininduced dopaminergic neuronal degeneration.Hsp70 did not alter the appearance of a-synuclein inclusions in the Drosophila brain.1D,Hsp70 TG20D,Hsp70,TG20D,TGAnti SynAnti Hsp70Anti UbiAnti hHsp70JBC Papers in Press.Published on October 31,2005 as Manuscript M504860200利用小鼠可以研究什么利用小鼠可以研究什么基因体内功能的研究（基因产物、基因调控）基因组功能的研究（系统生物学研究）人类疾病动物模型的建立研究疾病的发生和进程研究和疾病相关的生物体生命过程的改变研究疾病的治疗方法谢谢谢谢！