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高级生化与分子生物学实验 实验三秀丽隐杆线虫的培养及其发育过程的观察
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实验三 秀丽隐杆线虫的培养及其发育过程的观察
实验目的
理解线虫作为模式生物的优势以及在相关研究领域的应用;
掌握线虫的基本培养技术,观察并且区分两种线虫个体发育过程的异同;
理解线虫RNA干扰技术的基本原理,并学会使用该方法对目的基因进行干扰。
实验原理
秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegan)属于线虫动物门(Nematoda)隐杆线虫属(Caenorhabditis)秀丽隐杆线虫种(C.elegans),根据命名法则中的二名法命名为Caenorhabditis elegans。上世纪六七十年代分子遗传学的奠基人之一Sydney Brenner将线虫作为分子生物学和发育生物学研究的模式生物。
C.elegans为蠕虫状,长度约1mm,因其个体结构简单、体细胞数目恒定,特定细胞位置固定,生活史短、遗传背景清楚、基因组测序已经完成等,在遗传与发育生物学、行为与神经生物学、衰老与寿命、人类遗传性疾病、病原体与生物机体的相互作用、药物筛选、动物的应急反应、环境生物学和信号传导等领域得到广泛应用。如细胞凋亡现象及其机理以及RNA干扰技术最早都是在线虫中被揭示的。
(一)C.elegans的基本结构以及生活史
C.elegans有雌雄同体(XX)和雄虫(XO)两种性别,在自然条件下, 成虫大多为雌雄同体,雄虫的个体数只占大约千分之一。其基本的结构包括口、咽、肠、性腺以及胶原蛋白角质层,雌雄同体有两个卵巢、输卵管、储精囊,及单一一个子宫(图1,2),雄性有个单叶的性腺、输精管及一个特化为交配用的尾部(图3,4)。
C.elegans是唯一一个身体中的所有细胞能被逐个盘点并各归其类的生物。其幼虫含有556个体细胞和2个原始生殖细胞,而它的成虫则根据性别不同具有不同的细胞数。最常见的雌雄同体成虫在发育期间,共产生1090个细胞,其中131个在特定时期凋亡,因此,其成熟后含有959个体细胞和2000个生殖细胞,而较少见的雄性成虫则只有1031个体细胞和1000个生殖细胞。
C. elegans有五对常染色体和一对性染色体,是一个染色体数很少的二倍体。
图1 雌雄同体线虫解剖示意图
图2 雌雄同体线虫
A.DIC(微分干涉显微镜)拍摄的图;
B. 雌雄同体线虫解剖示意图
图3 雄虫
A. 雄虫解剖示意图;
B. DIC(微分干涉显微镜)拍摄的图;
C. 性腺放大图;
D. 成虫尾巴放大图;
E. L3 L4时期雄虫尾巴图(上面是L4,下面是L3)
图4:电镜下的雄虫 图5 雄虫和雌雄同体线虫交配
C.elegans的生活史包括胚胎期、幼虫期(L1-L4)、成虫期三个阶段(如图6)。一个雌雄同体线虫一生约可以产300个卵,卵经过L1、L2、L3、L4 4个幼虫时期,进入成虫期,如果外部条件比较恶劣,比如:拥挤、缺乏食物等,线虫会进入一个特殊的L3时期——dauer时期来抵抗外部的不良环境。C.elegans在实验室20-22℃的条件下,约3.5天长成成虫,可存活两到三周。线虫可以自体受精,当卵母细胞经过贮精囊时受精,也可以接受雄虫的精子进行异体受精(图5)。
图6 22℃下秀丽隐杆线虫的生命周期
(二)线虫RNAi技术:
RNAi (RNA-mediated interference)技术是指与靶基因同源的双链RNA诱导的特异转录后基因沉默现象。其作用机制是双链RNA被特异的核酸酶降解,产生干扰小RNA(siRNA),这些siRNA与同源的靶RNA互补结合,特异性酶降解靶RNA,从而抑制、下调基因表达(图7)。RNAi技术已经发展成为基因治疗、基因结构功能研究的快速而有效的方法。
图7 RNAi原理示意图
1、长的双链RNA(Long double-stranded RNAs, dsRNAs; typically 200 nt)被引入细胞;
2、宿主细胞对这些dsRNAs产生反应,核酸内切酶Dicer将dsRNA切割成多个具有特定长度和结构的小片段RNA(大约21~23 bp),即siRNA;
3、siRNA在细胞内RNA解旋酶的作用下解链成正义链和反义链,反义siRNA再与体内一些酶(包括内切酶、外切酶、解旋酶等)结合形成RNA诱导的沉默复合物(RNA-induced silencing complex,RISC);
4、RISC与外源性基因表达的mRNA的同源区进行特异性结合,RISC具有核酸酶的功能,在结合部位的两端切割mRNA,使目标mRNA降解;
1998年,Fire建立了线虫RNA干扰技术,由于线虫R
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