秀丽隐杆线虫:生物模型在PKD的发现

模型生物一直在遗传学研究中发挥了重要作用。例如,在19世纪中期,孟德尔尝试用豌豆植物在修道院花园为了解决一个大问题:为什么不混合动力两种植物株看起来像一个混合的两个?孟德尔选择使用豌豆植物在他的实验中,因为他们拥有许多特征适合他的研究现状和感兴趣的领域;例如,他们可以大量种植容易,繁殖可以操纵,他们表现出的几个特点,只发生在两种形式。此外,孟德尔知道他的发现在豌豆植物的遗传学影响许多生物,包括人类。

150年后的今天,孟德尔的开创性工作,遗传学家继续依靠生物模型,从单细胞细菌和酵母果蝇和线虫,一直到哺乳动物,如老鼠和老鼠。当然,就像生物模型的多样性增加了,所以研究人员试图回答的范围问题通过他们的工作物种。例如,现代遗传学家经常使用生物模型来确定函数某些基因,以及疾病的影响不同的突变。相似的基因和突变在人类可以识别和本地化基因组,从而使研究人员更清晰的了解许多人类疾病的分子基础。令人惊讶的是,一些最成功的努力在这个领域都涉及使用的简单的蛔虫秀丽隐杆线虫。

模式生物和价值的一个例子秀丽隐杆线虫被称为particular-involves研究的条件多囊肾疾病(PKD)。PKD是一种遗传疾病在人类中多个小囊(囊肿)生长在肾脏(图1)。不仅囊肿使肾脏异常的大,但他们也可以取代功能组织。通常,肾脏的作用是过滤废物从人体的体液和调节体内的电解质平衡。在PKD的情况下,这些功能受损,并最终,肾脏可以失败。事实上,一半的人与PKD需要透析或肾移植的60岁。

PKD的结果基因突变,出现在多个地方本地化的基因组(里德,1992)。的疾病发生在两个主要forms-autosomal占主导地位的和常染色体recessive-both继承。的常染色体显性形式更为普遍和影响仅在美国就有超过500000人。目前,还没有有效的治疗PKD。

谢天谢地,PKD的动物模型为研究人员提供一种方便的方法来测试假设的生化途径导致囊肿和测试实验治疗。例如,在1999年,莫林·巴尔试图了解更多关于函数的两个proteins-polycystin-1 (PKD1)和polycystin-2 (PKD2)——有缺陷在人类多囊肾病(巴尔&斯特恩伯格,1999)。使用秀丽隐杆线虫作为一个生物模型(图2),巴尔表明虫蛋白质与人类polycystins(即有关。在感觉神经元,同系物)调解信号。当然,在巴尔的实验中,一个基因突变在PKD1同系物不影响肾功能,因为线虫(包括秀丽隐杆线虫)没有肾脏。相反,这种突变影响中的一个特定的步骤在雄虫交配行为。事实上,在蠕虫,PKD1同系物叫做LOV1(简称“的位置阴户”),以反映其功能。

在人类中,突变PKD1或PKD2导致几乎相同的临床症状。此前的研究表明有由这些基因编码的蛋白质(分别polycystin-1和polycystin-2)在一起工作细胞膜。巴尔的蠕虫模型显示出类似的结果交互两个蛋白质之间。具体地说,她发现polycystin-2的蠕虫同系物是相同的神经元中表达基因的产物LOV1。

除了秀丽隐杆线虫,大量的小鼠模型已用于PKD的研究,和许多这些模型的共享人类病理学的表型特征。事实上,人类基因被确定后,鼠标的同系物PKD1和PKD2针对实验发现突变(Guay-Woodford, 2003)。这些实验显示,杂合的开发与突变基因的老鼠在肾囊肿,以及其他器官,类似于人类疾病。纯合子的小鼠突变也有囊肿,但他们通常在出生之前死去。

有趣的是,不正常的纤毛是常见的一个特征突变体蠕虫和突变小鼠模型用于PKD的研究。蠕虫的同系物,LOV1和PKD2感觉神经元上发现纤毛,如果一个或两个相关基因突变,男性表现出异常的交配行为由于感官缺陷。此外,小鼠的研究发现polycystin-1 polycystin-2局部肾细胞的纤毛;此外,过度polycystin-2已经证明(Igarashi & Somlo, 2002)。因为肾纤毛的功能尚不清楚,研究人员有更多的工作要做了解异常纤毛功能会产生肾囊肿(图1)。

乍一看,这可能看上去很奇怪,简单的有机体秀丽隐杆线虫广泛用于PKD和其他人类疾病的研究。事实上,在1999年发表的一篇评论文章,莫林·巴尔自己评论似乎蜗杆之间的海湾性和人类肾脏疾病:“乍一看,蠕虫和肾脏有尽可能少的与对方做的事秀丽隐杆线虫遗传学家和实践医学研究者。”However, Barr goes on to make a strong case for the lessons learned from this model生物:“向前或古典遗传学旨在理解生物过程和从突变体表型基因/蛋白质鉴定。反向遗传学始于基因/蛋白序列的知识和行动功能/表型。”She continues, "秀丽隐杆线虫适合这两种方法,使蠕虫的一个有吸引力的模型系统研究你最喜欢的基因。”

老鼠是有效的生物模型,更接近人类的基因组同源性比无脊椎动物和植物。然而,在某些情况下,更少的复杂有机体,如秀丽隐杆线虫,提供一定的优势。例如,在她的评论,巴尔叙述了蠕虫的所有原因一直很好,包括它的体积小,短的生命周期,大窝大小、遗传顺从,和简单的细胞组成(巴尔,2005;图2)。这些品质也是真正的各种其他的生物模型,从酵母到豌豆。

生物模型长期以来发挥了突出的作用在遗传研究,开始与孟德尔的实验在1800年代中期豌豆植物。今天,遗传学家继续依赖这些生物,特别是当调查的问题基因表达、函数和变异。一旦研究人员识别特定基因和基因变异模型生物,他们经常能找到相似的部分DNA在人类基因组;通过这种方式,他们可以开发更好的理解人类的许多特征的分子基础,包括PKD等障碍。有趣的是(也许令人惊讶的是,一些人),即使是简单的生物秀丽隐杆线虫可以揭示了人类疾病的分子基础;事实上,结构简单,寿命短,容易可操纵性的物种使它特别适合持续使用的研究环境。