Лекция 3
Модельные организмы
Общие принципы организации и функционирования
биологических систем.
Универсальность
Эволюция
Разнообразие
Непрерывность
Гомеостаз и взаимодействие
Модельные организмы
1. Генетические.
Быстро развиваются, легко скрещиваются, дают многочисленное потомство.
Есть много различных мутантов. Могут быть составлены детальные
генетические карты.
2. Экспериментальные.
Удобны для манипулирования и наблюдения.
3. Геномные.
Занимают центральные позиции на эволюционном дереве или некоторые
свойства их геномов делают данные организмы идеальными для изучения.
Важно также, имеют ли они какое-либо отношение к геному человека.
Plant Model:
Почему модельных организмов немного?
• Практикой отобраны те, что легко растут в лабораторных условиях
• Удобнее те, что быстро размножаются – легко следить за развитием и
наследованием признаков
• Быстрее происходит сбор информации, доступ к которой становится
все проще: наличие коллекций мутантов с характерными свойствами
+ взаимодействие между лабораториями
• Геномы прочитаны – легче идентифицировать ген
Дрожжи Saccharomyces cerevisie
- Простейший эукариотический организм
- Геном прочитан в 1997 году
- Геном содержит 12 млн. п.н. - около 6000 генов в 16 хромосомах.
Только 4% генов, кодирующих потенциальные белки, содержат интроны:
избыточность, надёжность
- 20% генетических болезней человека имеют соответствие в
геноме дрожжей – возможен поиск лекарств
Нематода Caenorhabditis elegans
• Свободно живущий почвенный круглый червь
• Используется в лабораторной работе с 1963 года
• Легко и дешево выращивать в лаборатории
• Сохраняет жизнеспособность в замороженном состоянии
• Питается бактериями (E. сoli)
• Жизненный цикл занимает 3 дня. Продолжительность 2-3 недели
• Многочисленное потомство (сотни)
• Два пола, так что возможны генетические скрещивания
C. elegans: прозрачное тело
C. elegans: прозрачное тело
Прозрачное тело – удобно для манипуляций и наблюдения; позволяет
анализировать распределение белков в целом животном
нервная система
межклеточные контакты
Нематода
Caenorhabditis elegans
Геном был полностью прочитан к
2002 году, содержит 97 млн. пар
оснований в 6 хромосомах (5 аутосом и
одна Х-хромосома) и около 20 тыс.
генов.
ядра в С. elegans
В 2002 году Sydney Brenner, H. Robert Horwitz и John Sulston получили
Нобелевскую премию по медицине за работу по генетике развития
органов и программируемой клеточной смерти у C. elegans.
В 2006 году Andrew Fire и Craig C. Mello получили такую же премию
за открытие РНК-интерференции у C. elegans.
C. elegans: cell lineage
часы
Взрослый червь состоит из 959 соматических клеток (302 – нейроны) и
1000-2000 половых клеток
Для каждой клетки точно известно, когда и из каких
предшественников она возникает в развитии. Глаз нет.
Плодовая мушка
Drosophila melanogaster
• Важнейший модельный организм для исследований в биологии
развития и генетике
• Репродуктивный цикл занимает 2 недели
• Геном представлен 4-мя парами хромосом: X/Y-половые, три аутосомы2, 3 и 4. Геном полностью прочитан; содержит 170 млн. пар оснований
и кодирует 14 тыс. белков
• Практически для любого из генов может быть получен мутант
• Очень многие гены проанализированы в деталях
Африканская шпорцевая лягушка
Xenopus laevis
• Модель развития позвоночных
• Проходит полный цикл развития в лаборатории (2,5-3 месяца)
•Крупные яйцеклетки (1 мм) развиваются во внешней среде,
легко ввести ДНК или мРНК и проследить за отдельными
стадиями развития
• Возможно манипулировать эмбрионом на ранних стадиях
развития
Трансгенные лягушки
DsRed-Express Katushka
557/579 и 588/635 нм
10 мм
внешний вид животных Whole-body флюоресценция
Коралловый полип Entacmaea quadricolor
(D. Shcherbo et al., 2007)
Растение Arabidopsis thaliana
- Геном полностью прочитан.
- Он составляет около 125 млн. пар оснований –
это наименьший геном в растительном царстве - и содержит 25 тыс. генов.
5 пар хромосом.
- Легко выращивать в лаборатории, развитие в течение 5-6 недель
- Легко получать мутанты, используя обработку семян радиацией или
химическими мутагенами; собрана большая коллекция мутантных семян
- Трансформация при помощи бактерии Agrobacterium tumefaciens
позволяет получить трансгенные растения
Культура растительных клеток
эмбрион
апикальная
меристема
каллус
клетки
Культура растительных клеток
- В отличие от животных из большинства растительных клеток
можно легко получить новые растения. «Тотипотентность».
- При механическом повреждении или в условиях эксперимента
может происходить дедифференцировка клеток, приводящая к
образованию каллуса – ткани, характеризующейся быстрым
ростом. Гетерогенность каллуса
Культура растительных клеток
1. Изолируют нужную часть растения
2. Помещают в подходящие для этого вида клеток условия:
макроэлементы N, K, Ca, Mg
микроэлементы Fe, Cu, Zn, Co
витамины
гормоны роста
3. Поддерживают стерильность
Мышь
Mus musculus
• Модель развития млекопитающих
• Геном опубликован в 2002 году; он в 20 раз больше генома Drosophila
• Созданы инбредные линии лабораторных животных, которые в
пределах каждой линии генетически полностью идентичны
• Трансгенные мыши: специфические гены были введены в половые
клетки мыши, так что можно изучить их влияние на развитие или
клеточные функции
• Нокаутные мыши: специфические гены удаляются из половых клеток
- 99% генов мыши гомологичны генам человека
- Геномы мыши и человека организованы сходным образом,
крупные блоки гомологичных генов даже располагаются в одинаковом
порядке на хромосомах - до 90% консервативной синтении
- Созданы линии мышей, несущие мутации, которые соответствуют
различным генетическим патологиям человека
- Мышиные модели болезней человека используются для тестирования
новых лекарств
First Mouse Model Of Schizophrenia Developed
ScienceDaily (Jul. 31, 2007)
“— Johns Hopkins researchers have genetically engineered the first
mouse that models both the anatomical and behavioral defects of
schizophrenia, a complex and debilitating brain disorder that affects
over 2 million Americans.”
Reeler - мутантные мыши.