模式生物-果蝇全解课件.ppt

1、果蝇（Drosophila melanogaster）果蝇的基本特点果蝇的基本特点 果蝇相关的研究成果果蝇相关的研究成果 果蝇的遗传操作工具果蝇的遗传操作工具 果蝇在人类疾病机制研究中的应用果蝇在人类疾病机制研究中的应用 果蝇的基本特点果蝇的基本特点 果蝇相关的研究成果果蝇相关的研究成果 果蝇的遗传操作工具果蝇的遗传操作工具 果蝇在人类疾病机制研究中的应用果蝇在人类疾病机制研究中的应用 主要优点：主要优点：个体小，饲养成本低；个体小，饲养成本低；生命周期短，繁殖能力强；生命周期短，繁殖能力强；遗传操作手段成熟，突变体资源丰富；遗传操作手段成熟，突变体资源丰富；有比较复杂的行为能力有比较复杂的行

2、为能力 基因组测序已经完成（基因组测序已经完成（20002000年）。年）。染色体小：3对常染色体，1对性染色体 基因组大小约为120Mb 约13,600 基因 75%的人类已知致病基因中在果蝇中有同源序列应用：应用：癌症癌症 神经退行性疾病神经退行性疾病 免疫免疫 衰老衰老 行为学行为学黑腹果蝇生活史 雌雌 雄雄果蝇的雌雄分别sex combs处女蝇（virgin female）X/Y,2A 雌蝇 X/X,2A 雄蝇 X/0,2A 不育的雄蝇 X/X/Y,2A 可育雌蝇果蝇的性别决定X染色体与常染色体的比例染色体与常染色体的比例=1，雌蝇，雌蝇 =0.5 雄蝇雄蝇Y染色体不是果蝇雌雄的决定因

3、素，它只与育性有关。染色体不是果蝇雌雄的决定因素，它只与育性有关。黑腹果蝇染色体多线染色体多线染色体（polytene chromosome）：果蝇唾液腺中一种缆状的巨大染色体，由）：果蝇唾液腺中一种缆状的巨大染色体，由核内有丝分裂产生的多股染色单体平行排列而成。核内有丝分裂产生的多股染色单体平行排列而成。104染色体重排vInversion（倒位）vTranslocation（易位）vCompound chromosome（复合染色体）abbavDuplications（重复）vDeficiencies（缺失）平衡系染色体（balancer）1、多个位点的大段倒位，使之不能和正常染色体发生重

4、组。2、带有隐形致死突变，不能纯合。3、带有显性表型标记，易于辨别。果蝇的系统命名法f;cn bw;TM2/traC(1)RM,y2/Y;In(2LR)O,Cy/Sco;ciD/eyD果蝇基因的命名sevenless受体bride of sevenless（boss）配体son of sevenless（sos）信号分子染色体交换雄蝇中不会发生！雄蝇中不会发生！黑腹果蝇不同性状http:/flybase.org/果蝇资源果蝇突变体库http:/flystocks.bio.indiana.edu/果蝇的基本特点果蝇的基本特点 果蝇相关的研究成果果蝇相关的研究成果 果蝇的遗传操作工具果蝇的遗传操作

5、工具 果蝇在人类疾病机制研究中的应用果蝇在人类疾病机制研究中的应用被称为“遗传学之父”。用果蝇证实了孟德尔定律，发现了果蝇白眼突变的性连锁遗传，提出了基因在染色体上直线排列以及连锁交换定律。1933年诺贝尔生理学或医学奖。Thomas Morgan托马斯-摩尔根摩尔根的学生，被誉为“果蝇的突变大师”。发现X线照射可引起基因突变，为人工诱导突变开辟了重要途径。1946年诺贝尔生理学或医学奖。Hermann J.Muller赫尔曼-缪勒埃德华刘易斯 克里斯蒂纳福尔哈德 埃里克威斯乔斯 以果蝇为实验材料，筛选了上百个控制胚胎早期发育的基因，揭开了胚胎如何由一个细胞发育成完美的特化器官的遗传秘密。获得

6、了1995年诺贝尔生理学或医学奖。vBX：双胸突变果蝇基因的功能与身体发育有关基因的功能与身体发育有关v同源异型转变（homeotic transformation）：将身体一部分构造变为另一相似构造的转变。造成这类转变的基因就称为同源异型基因（homeotic gene），主要为转录因子。琳达巴克 理查德阿克塞尔 阿克塞尔和巴克以果蝇为研究材料，从分子层面到细胞组织层面清楚地阐明了嗅觉系统的作用机理，因而获得2004年诺贝尔生理学或医学奖。果蝇的基本特点果蝇的基本特点 果蝇相关的研究成果果蝇相关的研究成果 果蝇的遗传操作工具果蝇的遗传操作工具 果蝇在人类疾病机制研究中的应用果蝇在人类疾病机制

7、研究中的应用果蝇遗传学方法 正向遗传学正向遗传学 反向遗传学反向遗传学自发突变化学试剂诱变射线诱变转座子介导的突变转座子剪切转基因RNAi基因打靶PhenotypeMutantGenewhite1118X chromosomeEMSPhenotypeMutantGenewhiteX chromosome*(EMS,甲基磺酸乙脂)(MMS,甲磺酸甲酯),(ENU,乙烷基亚硝基脲)(TEM,三乙基三聚氰胺)(ICR-170,吖啶诱变剂)(DEB,二环氧丁烷)(Formaldehyde,甲醛)化学诱变剂EMS 在果蝇基因组中平均每400kb可诱导一个点突变，这一点突变80%是G/C到A/T的转换。X

8、射线 诱导突变 诱导有丝分裂交换 引起体细胞辐射损伤转座子：可移动的遗传因子1983年诺贝尔生理学及医学奖年诺贝尔生理学及医学奖 Barbara McClintock 1902-1992Corn(maize)varieties转座子诱导的突变 反向遗传学反向遗传学 转座子剪切 转基因 RNAi 基因打靶 正向遗传学正向遗传学具有随机性，常常不能得到实验需要的突变体。转座子剪切转化P-element介导的转基因带有P-element及标记基因的质粒+del2-3质粒（提供转座子酶）显微注射受精卵的准备Syncitial blastodermGerm cellsphiC31介导的定点转基因f fC

9、31 Co-injection of attB-construct DNA with fC31 mRNA into attP embryos 10-50%integration ratetransgenic insertionattPattBattRattLRNAi基因打靶目标基因的断裂可增加同源重组发生的概率目标基因的断裂可增加同源重组发生的概率果蝇基因打靶杂交流程FokI nucleasedomain(Fn)FokI nucleasedomain(Fn)ZFNTALENCRISPR/Cas9基因打靶与定点整合的结合Genomic EngineeringSIRT(site-specific

10、integrase-mediated repeated targeting)IMAGO(integrase-mediated approach for gene knock-out)果蝇中常用的基因调控元件 Flp/FRT Cre/loxP UAS/Gal4(Gal80)Flp/FRTFlpwhiteFRTFRTXFlp/FRT介导的突变体克隆Cre/loxPUAS/Gal4(Gal80)利用UAS/Gal4系统易位表达eyeless基因果蝇中基因改造与调控元件的结合应用果蝇中基因改造与调控元件的结合应用RNAi+Gal4/UASGAL4 driver+UAS eyeless RNAiGAL4

11、 driver+UAS-fmiRNAi Flp/FRT+UAS/Gal4(Gal80)镶嵌型分析的重要性检测基因组织特异性功能决定基因功能所在细胞家系分析对致死突变基因尤其重要，可以避开发育重要阶段从而研究其后期功能。将使突变细胞与正常细胞相邻，更好的相互比较。果蝇的基本特点果蝇的基本特点 果蝇相关的研究成果果蝇相关的研究成果 果蝇的遗传操作工具果蝇的遗传操作工具 果蝇在人类疾病机制研究中的应用果蝇在人类疾病机制研究中的应用 癌症癌症 神经退行性疾病神经退行性疾病 免疫免疫 衰老衰老 行为学行为学75%的人类已知致病基因中在果蝇中有同源序列癌症RTK-RAS-MAPK信号通路Hedgehog/

12、Ci 信号通路该通路与脊椎动物和非脊椎动物的许多组织的发育相关，能够促进细胞的分化，过量的Hedgehog信号能够导致癌症发生神经退行性疾病Amyloid precursor protein like,Presenilin（Alzheimers Disease）huntingtin（Huntingtons diease）Parkin（juvenile-onset parkinsons disease，早发型帕金森氏病），tau（frontotemporal dementia with parkinsonism,FTDP-17,额颞叶痴呆型帕金森氏病），Notch（CADASIL syndrom

13、e,伴有脑白质梗死的遗传性脑动脉病）ABCD1（adrenoleukodystrophy,ALD，肾上腺脑白质营养不良）ataxin-2,ataxin-6（spinal cerebellar ataxia，SCA，脊髓小脑共济失调）几乎所有的神经退行性疾病的果蝇模型都是利用UAS/Gal4系统构建的。SCA3果蝇模型Row1 a 野生型果蝇；野生型果蝇；b Q78强表达；强表达；c Q78弱表达；弱表达；d Q61强表达强表达Row2 视网膜厚度视网膜厚度脊髓小脑共济失调HSP70改善SCA3果蝇的神经退行表型a 表达表达Q78b 共表达共表达Q78与与HSP70c HSP70（显性负效应）（

14、显性负效应）d 共表达共表达HSP70（显性负效应）与（显性负效应）与HSP70HD果蝇模型Notch受体蛋白的信号通路果蝇神经细胞发育过程中由Notch和Delta介导的侧抑制在高尔基体中进行第一步切割形成异源二聚体转到质膜与Delta结合，在位点2切割在位点三切割Notch末端转运到核内社会行为学 求偶 打斗 觅食 运动 趋光性 趋触性 昼夜节律求偶Transformer gene(tra)Number of X chromosomesAffects fruEffects on genes that build neural circuitry and on sex determinati

15、onGroup of fruexpressing neurons in malesIn females,neurons dieExpressed in 1.5%of neuronsBut in all sensory neurons involved in courtshipMutants of fru geneA movie for it!打斗A movie for it!小 结v 模式生物：模式生物：科学研究中，用以揭示某种具有普遍规律性的生命现象的生物物种。v 由于生物进化的保守性，在某一种生物内的生物过程很可能在高等生物（例如人）中也是类似甚至完全一样的。因此研究人员可以利用一些技术上更容易操作的生物来研究高等生物的生物学问题。v 模式生物广泛应用于遗传学和发育生物学的研究中，常用的模式生物有：大肠杆菌、酿酒酵母、秀丽线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠、大鼠、拟南芥、水稻等。v 各模式生物各具优点，其研究成果不仅揭示特定物种的特点，还有助于探索生物发育的普遍规律和机制。