实验室里的明星模式生物一一果蝇

人类利用果蝇研究生命奥秘有着悠久的历史。早在一百多年前，果蝇就走进了科学家的实验室。1901年，美国昆虫学家伍德沃思(C. W. Woodworth, 1865—1940 )最早把果蝇引进哈佛大学实验室，他的同事美国遗传学家卡斯尔(W.E. Castle, 1867—1962 )首次利用黑腹果蝇(Drosophila melanogaster )开展遗传学研究，引起了遗传学家摩尔根(T. H. Morgan, 1866—1945 )的浓厚兴趣。摩尔根于1907年在哥伦比亚大学建立著名的“蝇室”，并逐渐形成了一个大的果蝇遗传学研究中心。果蝇作为遗传学研究的经典模式生物，其研究历史已超过一个世纪。

果蝇属昆虫纲双翅目果蝇科果蝇属，体型较小，身长3~4 mm，广泛分布于全球温带和热带气候区，现已发现3 000多种。成虫常产卵在腐烂的果实表面，每只雌蝇产卵量为200-700个， 卵经1 d即可孵化成幼虫。幼虫多以腐烂果实上的酵母菌、真菌为食，少数以树液或花粉为食。果蝇的生活周期一般较短，完成一个世代所需的时间，视种类和生态环境而异。果蝇由卵发育为成虫大体经过卵、幼虫、蛹和成虫4个阶段，属完全变态发育。

黑腹果蝇是实验室里最重要的模式生物之一。它具有许多其他模式动物无法比拟的优势:个 体小，繁殖快，容易饲养，雌雄易区分；染色体数目少，基因组小，只有4对染色体，且形态、 大小等均有明显差异；易于遗传学操作。幼虫的唾腺细胞中含有巨大的多线染色体，比一般细胞染色体大百余倍，其上分布着深浅不同、粗细各异的横纹，可用于研究染色体变异的各种遗传学效应。果蝇基因突变的类型多，如眼色、翅形、体色、刚毛等性状都有多种变异，为遗传学研究提供了丰富的材料。果蝇胚胎发育速度快，易于观察，是研究胚胎发育调控机制的绝佳材料。果 蝇的神经系统比人类的简单得多，但同样能完成比较复杂的行为，如觅食、飞行、求偶、交配、 学习、记忆以及调节昼夜节律等。因此，研究果蝇神经系统及其对行为的控制机制，为进一步阐明基因一神经(脑)一行为之间的关系提供了理想的动物模型。2000年3月，黑腹果蝇全基因组测序工作基木完成，编码蛋白质的基因有1.3万多个，其中约一半与哺乳动物编码蛋白质的基因具有较高的同源性，大约75%的人类疾病基因在果蝇中都能找到同源基因。因此，利用果蝇作为研究人类疾病的动物模型具有重要意义，可用于肿瘤、神经退行性疾病(如帕金森病、老年痴呆症)和代谢性疾病(如糖尿病)等发病机制的研究。

迄今为止，果蝇研究在生命科学领域已取得了巨大成就，产生了6个诺贝尔生理学或医学奖。摩尔根以果蝇作为模式生物，发现了基因的连锁互换定律，由于在染色体遗传理论上 的杰出贡献，获得了1933年诺贝尔生理学或医学奖。摩尔根的学生，美国遗传学家缪勒(H. J. Muller, 1890—1967 )用X射线诱导果蝇突变成功，证明X射线能使果蝇的突变率提高150倍，被誉为“果蝇的突变大师”，获得了1946年诺贝尔生理学或医学奖。美国生物学家刘易斯 (E. B. Lewis， 1918—2004)、遗传学家威绍斯(E. F. Wieschaus, 1947—)和德国遗传学家福尔哈德(C. N. Volhard, 1942—)通过研究果蝇早期胚胎发育的基因调控，揭示了动物早期胚胎发 育的遗传调控机制，共同获得了1995年诺贝尔生理学或医学奖。2004年，美国科学家阿克塞尔 (R.Axel, 1946—)和巴克(L. B. Buck, 1947—)发现果蝇的脑部有一个特定的嗅觉功能区域，获得了当年的诺贝尔生理学或医学奖。2011年诺贝尔生理学或医学奖由美国科学家博伊特勒 (B. A. Beutler, 1957—)、法国科学家霍夫曼(J. A. Hoffmann, 1941—)和加拿大科学家斯坦曼 (R. M. Steinman, 1943—2011 )分享，其中霍夫曼发现了一种称为Toll的基因参与果蝇的胚胎发育，该基因也在果蝇的先天性免疫中起到关键作用。美国科学家霍尔(J. C. Hall, 1945—)、罗斯巴什(M. Rosbash, 1944—)和杨(M. W. Young, 1949—),通过研究果蝇发现了控制生物钟的分子机制，共同获得了2017年诺贝尔生理学或医学奖。

一百多年来，果蝇在生命科学研究中占有重要地位，为科学作出了巨大贡献。从果蝇研究中获取的大量信息，极大地推动了生命科学各领域的快速发展。时至今日，针对果蝇的研究日益拓展深化，广泛应用于遗传学、发育生物学、神经生物学、细胞生物学、行为生物学、免疫学、进化生物学等各个领域。作为一种理想的模式生物，果蝇将在未来继续发挥更大的作用，为生命科学研究再立新功。