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实习医生日记之顽固失眠

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四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种

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摘要:一花一世界一树一菩提年物种日历里介绍的最小萌物毫无疑问是体长的大草履虫作为所谓的原生生物这些芥子须弥的单细胞生命有着与我们人类大相径庭的生存之道第二届模式动物与重大疾病动物模型研究与应用研讨会不过在了解它们之前先有一个密恐预警可爱的大草履虫正是这些神奇的结构和多样的功能为生物学研究提供了有趣的原材料让我们有机会洞悉生命的基本法则今天我
一花一世界,一树一菩提。2017年物种日历里介绍的最小萌物,毫无疑问是体长200~300μm的大草履虫。作为所谓的原生生物,这些芥子须弥的单细胞生命有着与我们人类大相径庭的生存之道。

2018(第二届)模式动物与重大疾病动物模型研究与应用研讨会

# 不过在了解它们之前先有一个密恐预警
四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种可爱的大草履虫。
正是这些神奇的结构和多样的功能,为生物学研究提供了有趣的原材料,让我们有机会洞悉生命的基本法则。今天,我们就来了解一种诺贝尔奖背后的微小功臣——嗜热四膜虫Tetrahymena thermophila。
四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种嗜热四膜虫的扫描电镜照片。
显微镜下看它们游泳

嗜热四膜虫可以算是大草履虫的近亲,二者都属于囊泡虫类的纤毛虫门,有着一身短短的纤毛。比大草履虫更加娇小的四膜虫,体长只有50μm左右,有着一副微胖界的梨形身材。
四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种身材可爱的Tetrahymena sp.。

四膜虫的细胞表面从头至尾平行分布着18~20列纤毛,“头顶”附近的口器中还有四个纤毛密集的条形区域,在早期的光学显微镜下看起来好像四列“膜”,因此得名四膜虫(tetra是希腊语的“四”,hymenium就是“膜”,比如蜜蜂所属的膜翅目就是hymenoptera)。
四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种用荧光试剂染色后,我们可以在荧光显微镜下看到的嗜热四膜虫的部分细胞结构:基体是纤毛根部嵌入细胞膜的结构,而在细胞膜下方,一列列的动纤丝把基体连接起来(图片的比例尺长度是10μm)。

世界上的生物有成千上万种,但在生物学研究中,科学家们常常选择一些特定的“模式物种”来集中精力研究,希望通过研究这些物种增进我们对普遍生命规律的了解。四膜虫就是一种优秀的模式生物——它们极其好养。
四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种要找它们也很容易。

在野外,四膜虫像大草履虫一样生活在营养丰富的淡水环境中,靠着纤毛摆动前进,遇到能塞进嘴里的东西是来者不拒。四膜虫吞食的食物也会在体内形成食物泡,消化完毕后的残渣从细胞后端排出。四膜虫可以在很多人工环境下开心地生长,最快2~3小时就能繁殖一代。
四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种“啊呀呀我游啊游。”

超好养的它们有什么用

除了能生养,这个猕猴桃(或者说长毛的牛油果)还有一些非常有趣的性质。比如说,四膜虫浑身的纤毛由细胞内部发达的“细胞骨架”支撑,所以,可以大量培养的四膜虫是纯化细胞骨架相关蛋白质的好材料。1965年,科学家就利用四膜虫发现了在细胞骨架上充当“搬运工”的动力蛋白(dynein)。
四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种右下角即是四膜虫的骨架结构及细胞器缩略图。
四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种在细胞骨架上,另一类“搬运工”驱动蛋白(kinesin) 正在沿着微管拖动膜泡包裹着的货物。

更有意思的是嗜热四膜虫的遗传机制。它们既可以通过细胞直接分裂来完成无性生殖,也可以两两结合、交换遗传物质。作为一种纤毛虫,四膜虫的细胞核也是有大小两个,其中小核含有五对染色体,负责保存四膜虫用于传宗接代的遗传信息,是分裂过程和交换遗传物质时的主角。
四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种嗜热四膜虫的荧光显微图像,可以看到口器部分密集的纤毛和细胞内部充满蓝色DNA的细胞核。

分裂增殖时,小核有丝分裂,其中的遗传信息被复制成完全相同的两份进入两个子代细胞中;当两个四膜虫互相接合时,也是小核的遗传物质在二者间进行了交换,而接合前的大核则会被细胞消化掉,接合之后再由小核分裂生成一个大核。
四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种图示四膜虫的生殖方式:左侧是分裂增殖过程,右侧是接合生殖过程;接合时,两个四膜虫的小核交换而大核降解。

但是,大核对于四膜虫来说同样重要。在大核中,DNA分子舒展开来,合成RNA分子以指导蛋白质的合成,从而指挥各项生命活动。更神奇的是,来自小核的五条染色体在形成大核时被RNA干扰机制切割成了将近200条,每条染色体不再只有2个拷贝,而是有45个拷贝之多。
四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种我们熟悉的人类染色体是2个拷贝。

由RNA干扰机制执行的切割有一个重要的功能,就是把新大核的DNA序列跟旧的进行比较,切掉多余的部分。这个过程可以避免垃圾序列在四膜虫基因组中不断积累,浪费宝贵的生存资源。作为单细胞生物,锱铢必较的生活也是很不容易呢。

不小心出席了几个诺奖

“自我切割”后产生这么多染色体的四膜虫,又不小心帮助了科学家们。每条染色体的两端都有“端粒”结构,这个结构可以保护我们的遗传物质免于损坏、丢失。相较于其他生物细胞中端粒结构的有限数量,四膜虫大核里的将近一万条染色体提供了大量的端粒。
四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种染色体两端的黄色部分就是端粒结构。
2009年,诺贝尔生理学和医学奖颁发给了端粒和端粒酶的发现者,而他们的工作就是在四膜虫中进行的。1989年,科学家们在四膜虫中发现了具有催化性质的RNA核酶,拿下了诺贝尔化学奖。除此之外还有RNA干扰机制、组蛋白修饰等很多重要的研究,都离不开四膜虫这种模式生物。
四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种端粒和端粒酶的发现者。
2006年,嗜热四膜虫的大核基因组完成测序,人们发现了前面所说的切除垃圾DNA的过程。2013年,科学家又发现了四膜虫奇葩的性别决定机制:子代表现出的性别和亲代没有任何关系,而是在大核基因组形成时随机挑选7种性别中的一种。
四膜虫,不是昆虫!是比草履虫更娇小可爱的模式物种“我是谁???”图片:pescefulprotist.com

作为和我们人类相去甚远但又同宗同源的模式生物,嗜热四膜虫不断向我们展示着自然的多样和生命演化的神奇,在“格物致知”的生物学研究中帮助人类越走越远。 温馨提示:87%用户都在生物谷APP上阅读,扫描立刻下载! 天天精彩!
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