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實習醫生日記之頑固失眠

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四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種

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摘要:一花一世界一樹一菩提年物種日歷里介紹的最小萌物毫無疑問是體長的大草履蟲作為所謂的原生生物這些芥子須彌的單細胞生命有著與我們人類大相徑庭的生存之道第二屆模式動物與重大疾病動物模型研究與應用研討會不過在了解它們之前先有一個密恐預警可愛的大草履蟲正是這些神奇的結構和多樣的功能為生物學研究提供了有趣的原材料讓我們有機會洞悉生命的基本法則今天我
一花一世界,一樹一菩提。2017年物種日歷里介紹的最小萌物,毫無疑問是體長200~300μm的大草履蟲。作為所謂的原生生物,這些芥子須彌的單細胞生命有著與我們人類大相徑庭的生存之道。

2018(第二屆)模式動物與重大疾病動物模型研究與應用研討會

# 不過在了解它們之前先有一個密恐預警
四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種可愛的大草履蟲。
正是這些神奇的結構和多樣的功能,為生物學研究提供了有趣的原材料,讓我們有機會洞悉生命的基本法則。今天,我們就來了解一種諾貝爾獎背后的微小功臣——嗜熱四膜蟲Tetrahymena thermophila。
四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種嗜熱四膜蟲的掃描電鏡照片。
顯微鏡下看它們游泳

嗜熱四膜蟲可以算是大草履蟲的近親,二者都屬于囊泡蟲類的纖毛蟲門,有著一身短短的纖毛。比大草履蟲更加嬌小的四膜蟲,體長只有50μm左右,有著一副微胖界的梨形身材。
四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種身材可愛的Tetrahymena sp.。

四膜蟲的細胞表面從頭至尾平行分布著18~20列纖毛,“頭頂”附近的口器中還有四個纖毛密集的條形區域,在早期的光學顯微鏡下看起來好像四列“膜”,因此得名四膜蟲(tetra是希臘語的“四”,hymenium就是“膜”,比如蜜蜂所屬的膜翅目就是hymenoptera)。
四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種用熒光試劑染色后,我們可以在熒光顯微鏡下看到的嗜熱四膜蟲的部分細胞結構:基體是纖毛根部嵌入細胞膜的結構,而在細胞膜下方,一列列的動纖絲把基體連接起來(圖片的比例尺長度是10μm)。

世界上的生物有成千上萬種,但在生物學研究中,科學家們常常選擇一些特定的“模式物種”來集中精力研究,希望通過研究這些物種增進我們對普遍生命規律的了解。四膜蟲就是一種優秀的模式生物——它們極其好養。
四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種要找它們也很容易。

在野外,四膜蟲像大草履蟲一樣生活在營養豐富的淡水環境中,靠著纖毛擺動前進,遇到能塞進嘴里的東西是來者不拒。四膜蟲吞食的食物也會在體內形成食物泡,消化完畢后的殘渣從細胞后端排出。四膜蟲可以在很多人工環境下開心地生長,最快2~3小時就能繁殖一代。
四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種“啊呀呀我游啊游。”

超好養的它們有什么用

除了能生養,這個獼猴桃(或者說長毛的牛油果)還有一些非常有趣的性質。比如說,四膜蟲渾身的纖毛由細胞內部發達的“細胞骨架”支撐,所以,可以大量培養的四膜蟲是純化細胞骨架相關蛋白質的好材料。1965年,科學家就利用四膜蟲發現了在細胞骨架上充當“搬運工”的動力蛋白(dynein)。
四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種右下角即是四膜蟲的骨架結構及細胞器縮略圖。
四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種在細胞骨架上,另一類“搬運工”驅動蛋白(kinesin) 正在沿著微管拖動膜泡包裹著的貨物。

更有意思的是嗜熱四膜蟲的遺傳機制。它們既可以通過細胞直接分裂來完成無性生殖,也可以兩兩結合、交換遺傳物質。作為一種纖毛蟲,四膜蟲的細胞核也是有大小兩個,其中小核含有五對染色體,負責保存四膜蟲用于傳宗接代的遺傳信息,是分裂過程和交換遺傳物質時的主角。
四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種嗜熱四膜蟲的熒光顯微圖像,可以看到口器部分密集的纖毛和細胞內部充滿藍色DNA的細胞核。

分裂增殖時,小核有絲分裂,其中的遺傳信息被復制成完全相同的兩份進入兩個子代細胞中;當兩個四膜蟲互相接合時,也是小核的遺傳物質在二者間進行了交換,而接合前的大核則會被細胞消化掉,接合之后再由小核分裂生成一個大核。
四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種圖示四膜蟲的生殖方式:左側是分裂增殖過程,右側是接合生殖過程;接合時,兩個四膜蟲的小核交換而大核降解。

但是,大核對于四膜蟲來說同樣重要。在大核中,DNA分子舒展開來,合成RNA分子以指導蛋白質的合成,從而指揮各項生命活動。更神奇的是,來自小核的五條染色體在形成大核時被RNA干擾機制切割成了將近200條,每條染色體不再只有2個拷貝,而是有45個拷貝之多。
四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種我們熟悉的人類染色體是2個拷貝。

由RNA干擾機制執行的切割有一個重要的功能,就是把新大核的DNA序列跟舊的進行比較,切掉多余的部分。這個過程可以避免垃圾序列在四膜蟲基因組中不斷積累,浪費寶貴的生存資源。作為單細胞生物,錙銖必較的生活也是很不容易呢。

不小心出席了幾個諾獎

“自我切割”后產生這么多染色體的四膜蟲,又不小心幫助了科學家們。每條染色體的兩端都有“端粒”結構,這個結構可以保護我們的遺傳物質免于損壞、丟失。相較于其他生物細胞中端粒結構的有限數量,四膜蟲大核里的將近一萬條染色體提供了大量的端粒。
四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種染色體兩端的黃色部分就是端粒結構。
2009年,諾貝爾生理學和醫學獎頒發給了端粒和端粒酶的發現者,而他們的工作就是在四膜蟲中進行的。1989年,科學家們在四膜蟲中發現了具有催化性質的RNA核酶,拿下了諾貝爾化學獎。除此之外還有RNA干擾機制、組蛋白修飾等很多重要的研究,都離不開四膜蟲這種模式生物。
四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種端粒和端粒酶的發現者。
2006年,嗜熱四膜蟲的大核基因組完成測序,人們發現了前面所說的切除垃圾DNA的過程。2013年,科學家又發現了四膜蟲奇葩的性別決定機制:子代表現出的性別和親代沒有任何關系,而是在大核基因組形成時隨機挑選7種性別中的一種。
四膜蟲,不是昆蟲!是比草履蟲更嬌小可愛的模式物種“我是誰???”圖片:pescefulprotist.com

作為和我們人類相去甚遠但又同宗同源的模式生物,嗜熱四膜蟲不斷向我們展示著自然的多樣和生命演化的神奇,在“格物致知”的生物學研究中幫助人類越走越遠。 溫馨提示:87%用戶都在生物谷APP上閱讀,掃描立刻下載! 天天精彩!
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