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非洲爪蟾的科研价值


爪蟾作为脊椎模式动物用来科学研究,与其它模式动物有着很多的优势。首先,爪蟾基因组已经有了完整的数据库;其次,白化爪蟾是透明的,可以用着活体研究,观察单个神经元的形态变化;爪蟾的卵可以用来研究蛋白通道的功能;再次,爪蟾养殖费用低,周期短,可以结合行为学研究进行药物的高通量筛选。英国发育生物学家约翰·格登(John Bertrand Gurdon)就是利用爪蟾卵的核移植实验证明了核编程的重要思想,从而获得了2012年诺贝尔奖。

 

非洲爪蟾是发展生物学的重要模式生物。它们约需1-2年的时间才达至性成熟,且是有四套染色体的。它们的胚胎很大及容易处理,故在发展生物学上的地位举足轻重。罗杰·斯佩里(Roger Wolcott Sperry)就是利用了非洲爪蟾在视觉发展的研究上,这项研究得出化学亲和性假说。非洲爪蟾的近亲:热带爪蟾现被提升为新的模式生物。常被用作实验动物,很早用于诊断妇女早期妊娠。

 

非洲爪蟾卵的抽取物可以支援DNA复制及其他相关的程序,故能够在无细胞环境下方便操控,对研究DNA复制及修复很有帮助。在孕妇的尿液中发现含有大量人类绒毛膜性腺激素,这种激素可以引发非洲爪蟾生产卵母细胞。为了帮助非洲爪蟾的培育,现时会将这种激素注入雄蛙及雌蛙中,帮助交配。

 

非洲爪蟾及其他爪蟾属的卵母细胞是分子生物学的重要表达系统。只要将DNA或mRNA注入卵母细胞或发育中的胚胎,科学家就可以在对照下研究蛋白质。这可以让操控的DNA(或mRNA)有频密的表达,并轻易的纪录卵母细胞。研究上面对消除影响结果的天然蛋白质的挑战,例如卵母细胞的天然膜通道。注入吗啉基反义核酸到卵母细胞中,就可以阻碍蛋白质的翻译或改善mRNA前体的剪接。

 

在胚胎学研究中,非洲爪蟾是主要的两栖类动物模型。非洲爪蟾的优势在于取卵方便,在实验室条件下,它可以常年产卵,不受季节限制。只要注射激素,雌体第2天就可以产卵,而且产卵量很大,可以通过人工授精获得受精卵。

 

在胚胎学研究中,非洲爪蟾是主要的两栖类动物模型。由于非洲爪蟾的卵子和胚胎个体较大,很方便进行实验胚胎学研究,如显微注射、胚胎切割和移植等。其早期胚胎发育很快,在24℃下受精后2天左右就可以孵化成可以自由游动的幼虫。虽然非洲爪蟾作为动物模型有很多优点,但是它很难进行遗传学研究。这主要是由于其生命周期过长,同时,它是异源四倍体,多数基因存在四个拷贝,很难进行遗传突变实验。

 

19世纪末至20世纪前,半叶是实验胚胎学发展的黄金时期。人们采用各种胚胎手术或物理、化学的方法来处理动物胚胎,观察、分析其发育的各种现象。那个时间流行的动物模型有蝾螈、蜥蜴、青蛙和海胆等。比如著名的德国胚胎学家施佩曼主要是以蝾螈为实验材料。1924年,他发现蝾螈原肠胚的胚孔背唇具有很强的诱导能力。如果将这部分组织移植到受体胚胎的腹侧,可以诱导形成一个完整的次级胚胎。由于这一重要发现,施佩曼获得了1935年的诺贝尔奖。然而在当时,实验所用的受精卵、胚胎都是从自然界中采集的。胚胎材料的缺乏大大限制了胚胎学研究的发展。科研人员要在春天的时候四处寻找野生青蛙或蝾螈,收集受精卵和胚胎,急急忙忙做一通实验,然后在一年剩下的时间里分析实验结果。直到20世纪50年代,非洲爪蟾粉墨登场,才改变了这一尴尬的状况,它也逐渐成为发育生物学研究的主角。

 

非洲爪蟾的研究为人们认识脊椎动物的发育机制作出了重要贡献。虽然施佩曼在1924年就发现了组织者,但对于组织者作用的分子机制的研究在很长时间内都没有取得突破。直到20世纪80年代中期,英国的施莱克和史密斯教授才发现成纤维细胞生长因子和活性素具有诱导能力。他们所使用的胚胎材料正是非洲爪蟾。直到20世纪90年代,人们才找到了组织者中真正的作用分子:BMP信号抑制因子和Wnt信号抑制因子。这一系列的工作也都是以非洲爪蟾为模型进行的。非洲爪蟾胚胎还曾多次乘坐宇宙飞船到太空旅行,用来研究胚胎在微重力条件下的发育。

1997年,克隆羊多利的诞生轰动了世界,它是世界上第一个克隆的哺乳动物。实际上,克隆动物最早是在非洲爪蟾中获得成功的。1962年,英国牛津大学的生物学家戈登利用非洲爪蟾进行了一系列的核移植试验,当时的主要目的是研究不同发育时期胚胎细胞核的发育能力。他先用紫外线照射爪蟾卵细胞,破坏其细胞核,然后取爪蟾蝌蚪的肠上皮细胞、肝细胞、肾细胞等的细胞核,植入上述处理过的卵细胞内,其中一少部分卵会开始分裂并可发育至一定时期。利用蝌蚪小肠上皮细胞作为核供体,通过连续核移植的办法,戈登成功获得少量蝌蚪,其中有几只成功发育成为成体爪蟾。这可能是世界上最早的克隆动物。这一结果轰动了科学界,充分证明了细胞核的全能性,也开创了动物克隆的时代。

 

20世纪70年代初,戈登教授发现,将外源血红蛋白信使RNA注射入爪蟾卵母细胞中,可以在卵母细胞中表达出血红蛋白。此后,卵母细胞表达系统在细胞生物学研究中发挥了重要作用。比如,应用非洲爪蟾卵母细胞表达外源离子通道或其他受体基因是离子通道或受体结构和功能研究中的一种重要方法,在研究离子通道及神经递质受体的结构、功能及药理作用方面都发挥了重要作用。

 

非洲爪蟾的卵母细胞真是生物实验的绝佳材料,它除了构建卵母细胞表达系统,还常用于细胞分裂与细胞周期调控的研究。早在1972年,研究人员首先在豹蛙中发现,成熟卵母细胞中存在一种物质,把这种物质注射到未成熟卵母细胞中,会加速它进行减数分裂而成熟。因此他们把这种物质叫作"成熟促进因子"(MPF)。这一结果随后在非洲爪蟾中得以证实。此后,非洲爪蟾成为相关研究的重要材料。人们发现MPF不仅能促进卵母细胞的减数分裂,也可以促进正常体细胞的有丝分裂。更有趣的是,卵母细胞中MPF的活性会随着细胞周期而变化,它在卵母细胞进行减分裂前活性最高;而当卵母细胞分裂后,MPF的活性亦随之消失。接下来,研究人员尝试从爪蟾的未受精卵中纯化MPF。但由于MPF的活性测试十分繁琐,它本身又极不稳定,这一工作进行得很不顺利。直到1988年,MPF才被纯化,发现它由两个蛋白组成,一个是周期素(一种随着细胞分裂过程而周期性表达的蛋白),另一个是一种周期素依赖性蛋白激酶。这是细胞周期调控研究中的一次重大突破,极大地推动了细胞周期的研究。21世纪初期,非洲爪蟾卵母细胞系统仍然是细胞周期研究的重要材料。