丁香实验_LOGO
登录
提问
我要登录
|免费注册
点赞
收藏
wx-share
分享

你还在用小白鼠做研究?Nature Methods 奇葩模式生物大盘点

丁香学术

312
提起生物学研究,首先印入我们脑海的是一群身穿白大褂的「恶魔」,在聚光灯下「摧残」可怜的小白鼠。或者是在一块块培养皿上悉心照料一个个小小的菌落。

生物学家从小白鼠、大肠杆菌、酵母等生物中归纳出来的科学规律,同样适用于多种不同物种。这种具有一定「普适性」的生物,被我们称之为「模式动物」

大鼠、小鼠、猴子等生物,由于他们在基因或者进化层面与人类的相似性,获得了生物学家们的追捧。果蝇、大肠杆菌与酵母等生物,则因为他们的「低等」,被用于揭示适用于绝大多数生物的基础规律。这些「模式生物」几乎占据了所有生物医学实验室。但还有这么一小群人,正在使用一些罕见的「模式生物」进行着自己的研究
图片来源:Nature Methods
2021 年 2 月 24 日,Nature Methods 编辑 Vivien Marx 在 Nature Methods 上刊登了题为 Model organisms on roads less traveled 的报告 [1] 盘点了那些鲜为人知的模式生物们,鼓励科学家寻找合适的研究对象


涡虫 - 再生之王
拥有超强再生能力的金刚狼
图片来源:IMDB
作为漫威粉们最喜爱的角色之一,金刚狼的再生能力是众多粉丝津津乐道的话题。可这种被打成渣滓都还能复活的生物在自然界中真的存在吗?答案是肯定的。
萌萌的地中海圆头涡虫
图片来源:Nature
「地中海圆头涡虫」(Schmidtea Mediterranea), 就是金刚狼一般的存在。和可以部分再生的蜥蜴与蚯蚓不同,涡虫在受到伤害后,几乎可以再生包括大脑、消化系统在内的任何部分。「涡虫」也因此成为了再生生物领域备受追捧的「模式生物」
来自美国斯托瓦斯医学研究所 Alejandro Sánchez Alvarado 教授,正是涡虫研究中的先行者。
图片来源:Cell
2018 年,Alejandro Sánchez Alvarado 团队利用单细胞测序技术,在涡虫体内找到了负责其再生能力的全能干细胞。通过分离这些细胞,将它们移植到接受致死剂量辐射的涡虫体内,能够使得濒死的涡虫重获新生。这项研究以 Prospectively Isolated Tetraspanin+ Neoblasts Are Adult Pluripotent Stem Cells Underlying Planaria Regeneration 为题刊登在了 Cell 之上 [2],揭开了涡虫的再生之谜。
Alejandro Sánchez Alvarado 认为,通过研究涡虫的再生能力,以及 CRISPR 技术的应用,我们很有可能在不久的将来,使人体组织与器官的再生成为可能

海蛇尾 - 神经再生专家
海蛇尾
图片来源:EchinoBase
从寒武纪开始就存活在地球上的棘皮动物门中也英雄辈出。
海蛇尾Amphiura filiformis)同涡虫一样,近年来也越来越受到再生生物学界的关注。同「涡虫」的全能不同,海蛇尾优秀的再生能力主要体现在神经再生之上。

海蛇尾在遇到天敌时往往会选择弃脚保命。海洋生物学家在海蛇尾的天敌腹中发现了大量海蛇尾的脚,鲜有全身。一项对特定海域海蛇尾的研究也证明,所有脚都健全的,未受过伤害的海蛇尾占群体比例不超过 10%,这些数据证明海蛇尾抛弃脚的情况非常常见。更受神经生物学家喜爱的是,海蛇尾在断脚后再生恢复时间极短,且能以无可比拟的速度在几天内完成神经的再生
除了极强的神经再生能力外,作为低等生物的棘皮动物处在生物进化的最前端,它们也被用来研究最基础的基因调节以及基因相互作用,并观察这些作用是如何进化的。

倭狐猴 - 体积最小的灵长类动物
作为人类的近亲,灵长类动物是医学实验中,代替人类参与实验的「最后一道防线」。根据 FDA 规定,所有二类以上的新药都需要经过灵长类动物实验的验证后,才能进行临床研究。但倭狐猴 Microcebus murinus),这种主要生活在马达加斯加的小猴,并不是因为其临床前试验价值得到学术界的青睐,而是因为它们复杂的大脑。
灵长类动物除了在药物研发中的独有价值,它们复杂的大脑也使它们成为了神经生物学研究中不可或缺的存在。以往常见的灵长类模式动物体型较大,操作困难,而倭狐猴是世界上最小的灵长类动物,体长少于 27 厘米。这种小型猴子的实验操作与大鼠类似,却拥有着高度发达的大脑。
来自瑞士日内瓦大学的 Daniel Huber 教授正是倭狐猴模型的使用者。
图片来源:Nature Methods
2020 年 9 月 29 日,Daniel Huber 带领团队在 Nature Methods 上发表了题为 EthoLoop: automated closed-loop neuroethology in naturalistic environments 的论文 [3],报道了他们如何通过搭建一套复杂的实时视觉捕捉与行为分析系统,使得在野外研究动物的神经行为学成为了可能,而 搭载这套名为 Etholoop 系统的模式生物正是倭狐猴
图片来源:Current Biology
Daniel Huber 团队今年 2 月也证明了,尽管倭狐猴的体型极小,大脑也只有两克左右,但其发达程度与大型灵长类相比毫不逊色。它们大脑也会随着年龄的增长也萎靡,并出现与阿兹海默症患者一样的脑部病变。相关研究以 Orientation Preference Maps in Microcebus murinus Reveal Size-Invariant Design Principles in Primate Visual Cortex 为题 [4],刊登在 Current Biology 之上。该研究表明体型与啮齿类动物相似的倭狐猴,更适合被用来探究大脑的奥秘,作为「模式动物」而言大有可为

线虫 2.0 - 诺奖得主的选择
2002 年,在斯德哥尔摩诺贝尔奖医学奖的颁奖典礼上,新晋诺奖得主 John E. Sulston 讲起了他和线虫的不解情缘。

2002 年研究线虫获得诺贝尔奖的三位得主
图片来源:诺奖官网截图
二十世纪七十年代,在 Sidney Brenner 的劝说下,John Sulston 回到剑桥,与 Sidney Brenner 一起开始研究线虫 Caenorhabditis elegans。由于线虫极易通过基因编辑的手段对特定的分子进行跟踪研究,二人与 H. Robert Horvitz 一同合作, 利用线虫揭开了器官发育和细胞程序性细胞死亡的秘密,三人也分享了 2002 年的诺贝尔医学奖,
五十年后,作为模式动物的线虫并未因为受到诺奖得主的青睐变成主流,但这个相对小众的模式生物也进入了 2.0 时代。
与线虫 1.0 的 C.elegans 以细菌为生不同,新一代的线虫 P. pacificus 是一种杂食动物。它可以在以细菌为食与以其他线虫为食进行切换。同为线虫的 P. pacificus,作为 C.elegans 的「卫星生物」,其生物学构造与后者并无显著的差别。是什么导致了线虫从只吃细菌到杂食的变化, 引起了许多科学家的关注。

结语
随着生命科学研究的进一步深入,那些曾为人类科学研究做出巨大贡献的传统模式生物们,已经不能满足越来越复杂的实验需求。一些新的模式生物逐渐了走入了生物学家的视野。

除了我们上述提到的这些生物,丝状真菌(Ashbya gossypii)开始被作为酵母的补充生物被研究;毕氏卵角蚁(Ooceraea biroi)因为其独特的社交行为,击败果蝇成为了昆虫行为学研究中的「新宠」。
我们也衷心希望,这些新的模式生物能够不辱使命,帮助人类解决那些传统模式生物无法解决的世纪难题。
文末留言分享你知道的模式生物及用途、趣闻等点赞量最高的三位读者将每人获赠一本丁香健康日历!欢迎踊跃参与,分享知识。(统计时间:4 月 2 日中午 12:00)
参考文献

1. Marx, V., Model organisms on roads less traveled. Nature Methods, 2021. 18(3): p. 235-239.
2. Zeng, A., et al., Prospectively Isolated Tetraspanin+ Neoblasts Are Adult Pluripotent Stem Cells Underlying Planaria Regeneration. Cell, 2018. 173(7): p. 1593-1608.e20.
3. Nourizonoz, A., et al., EthoLoop: automated closed-loop neuroethology in naturalistic environments. Nature Methods, 2020. 17(10): p. 1052-1059.
4. Ho, C.L.A., et al., Orientation Preference Maps in Microcebus murinus Reveal Size-Invariant Design Principles in Primate Visual Cortex. Current Biology, 2021. 31(4): p. 733-741.e7.


题图来源:Cell 封面,冬眠的十三条纹地松鼠,VOLUME 173, ISSUE 4, 2018


提问
扫一扫
丁香实验小程序二维码
实验小助手
丁香实验公众号二维码
扫码领资料
反馈
TOP
打开小程序