模式动物果蝇的生物学贡献：肿瘤研究全靠它

科普中国网-科普融合创作 2016-11-21

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　　纵观整个生命科学发展的历史，从以观察个体水平为主的博物学以及形态分类学阶段，到以实验方法为主的实验生物学阶段，再发展到今天的分子生物学阶段，以孟德尔遗传规律重大发现为代表的实验生物学阶段对整个生命科学的发展起到了承上启下的重要作用，实际意义上推动整个遗传学发展的正是以果蝇为模式动物而进行的一系列遗传学实验。

　　在整个遗传学发展的演变过程中，果蝇与遗传学相互融合、发展、进步。在不断用于各种遗传实验的过程中，它也极大程度地丰富和更新了遗传学的概念及内容，对于生命科学的发展有着不可磨灭的贡献。

　　果蝇(fruit fly)是双翅目、短角亚目、果蝇科、果蝇属昆虫。由于其清晰的遗传背景以及简便的实验操作，使其在遗传学、发育生物学、生物化学以及分子生物学等多个领域都占据了不可替代的位置。黑腹果蝇(Drosophila melanogaster )在1830年首次被描述。而它第一次被用作试验研究对象则要到1901年，试验者是动物学家和遗传学家威廉·恩斯特·卡斯特。他通过对果蝇的种系研究，设法了解多代近亲繁殖的结果和取自其中某一代进行杂交所出现的现象。1910年，随着著名的遗传学家汤玛斯·亨特·摩尔根开始在实验室内培育果蝇并对它进行系统的研究，此后很多遗传学家都开始用果蝇作研究并且取得了很多遗传学方面的知识：经典的伴性遗传、连锁以及交换定律，还包括果蝇的性别决定机制以及其基因组测序以及基因在染色体上的分布。

　　果蝇的生活史与家蝇相似，由卵发育为成虫大体要经过卵、幼虫、蛹和成虫四个阶段，其中幼虫又分成一龄、二龄及三龄三个时期，属于完全变态发育。一只雌果蝇一生能产下300-400个卵，卵经过一天就可以孵化成幼虫，形成一个庞大的家族。这也是果蝇用于遗传研究的一大优点，可以很方便的产生足以用于数理统计分析的研究样本。

　　果蝇的生活史

　　果蝇的形状表型及其丰富，有较多的突变类型，并且有很多易于诱变分析的遗传特征，这也是奠定果蝇在遗传学中重要地位的一个主要原因。经常用于遗传学筛选的标记形状有果蝇的复眼性状，常见的包括白眼、红眼、朱砂眼、墨黑眼以及棒眼等；果蝇的翅膀也可以分为长翅、小翅、卷翅、直翅等；果蝇的体色也可以分为黑体、黄体以及灰体等。这些多样的表型，使得果蝇杂交实验中对亲本的组合选择也多种多样。

　　红眼果蝇与白眼果蝇

　　由于果蝇在遗传学中的长期研究积累了大量的信息与技术，使其成为生命科学研究中的重要模式生物。模式生物一般都因其结构简单、生活周期短、培养简单、基因组小等特点在生物以及医学领域发挥重要作用。果蝇作为模式生物，一方面是由于长期积累了很多关于果蝇的知识和信息，制备了大量的突变体，结合其自身携带的便于遗传操作的标记，极大地方便了实验的设计和操作；另一方面，在果蝇遗传研究过程中发展的一些有效的技术，现在还只能应用于果蝇，如定点同源重组以及基因定点敲除技术。

　　果蝇作为遗传学研究的经典模式动物，主要用来研究真核生物遗传学的基本原理以及概念。1910年，摩尔根发现白眼果蝇并将其用于遗传学研究，摩尔根验证了孟德尔学说，发现并解释了伴性遗传，提出了连锁遗传，绘制了果蝇遗传图谱。因此1933年的诺贝尔医学奖授予了摩尔根，以表彰他在研究染色体在遗传方面的功能中所做出的贡献。1946年，摩尔根的学生，被誉为“果蝇的突变大师”的米勒，证明X射线能使果蝇的突变率提高150倍，因而成为诺贝尔奖获得者。

　　果蝇的伴性遗传实验示意

　　果蝇作为发育生物的经典模式生物，很多参与发育调控的信号通路都是首次发现。例如，Ras信号转导途径就是首先通过对果蝇复眼光受体细胞和线虫产卵器发育过程（Sternberg and Han,1998）的研究而阐明的。Notch信号转导途径的主要成员基因也是首先在果蝇中克隆的。Nusslein-Volhard和Wieschaus用果蝇进行筛选发现了Hedgehog, Wingless和TGF-β等信号转导途径。利用这些通路中同源基因的保守性，也分别在小鼠以及人中发现了相同的发育信号通路。如：人和果蝇的体节形成都是由同源异型框基因控制。虽然人和果蝇的眼睛构造截然不同，但他们的早期发育都是由e1’基因控制的。小鼠Pax6（果蝇ey的同源基因）也可在果蝇中诱导眼的发育。

　　近年来的研究表明，果蝇和人类在肿瘤发生信号通路等方面的保守性很高，而且果蝇具有很强的遗传学可操作性，是肿瘤学研究有效的模型之一，可用于研究人类肿瘤发生、发展、转移等分子机制。