模式动物与疾病

    疾病对人类的健康和生存构成重大威胁，是世界各国面临的最重要的社会问题之一。尽管科技和医学已有了长足的进步和发展，但对于大多数遗传性疾病的发病机理还知之甚少，因而无法进行根本上治疗，只能采取减缓综合症发生和减轻病人临时痛苦的措施。几乎所有的人类疾病都可以找到和遗传相关的因素。所以遗传性疾病不仅仅是指染色体突变造成特定缺陷表型可以从父代传给子代，还可以指特定基因型的人群在不同环境中对特定病原体的易感性。以肿瘤为例，其形成不但和环境中的致癌物相关，还涉及癌基因和肿瘤抑制基因的突变或多态性。因此，建立人类重大疾病（如肿瘤和心血管疾病等）的动物模型，对分析疾病的发病机制，解答特定人群对某种疾病的易感性，及开发新型药物开发有重要推动作用。

    在过去一个世纪的研究中，小鼠已经成为建立人类遗传性疾病的动物模型的最佳实验材料。小鼠的基因组改造技术成熟，且生理生化和发育过程和人类相似，基因组和人类90％同源，所以人类疾病的小鼠模型可以基本上真实模拟人类疾病的发病过程及对药物的反应； 小鼠作为遗传学研究材料的另一优势还在于其基因组计划已基本完成。基因组序列的大量信息为研究基因功能及其表达调控、胚胎发育和人类疾病的分子机制提供了条件基础和技术手段。运用现有的基因组序列和生物信息学分析，发展新型的基因组改造方法，并在随机或定向突变的基础上，在整体动物表型水平进行分析，是目前最流行和有效的功能基因组研究手段，而比较基因组学、发育生物学、医学遗传学等相关领域也在不断融合而产生新的生长点。

    利用小鼠等模式动物建立的疾病模型具有重大理论和运用价值。一方面，通过动物模型研究对基因功能和遗传方式的分析已经成为推动了生命科学重大理论成果的主要动力。例如，果蝇的突变表型分析和小鼠相关基因功能研究直接导致了多细胞生物发育理论的基本框架的建立。另一方面，动物模型，特别是小鼠的疾病模型的深入研究将为生物医药技术产业带来了巨大商机。几乎所有新产生的小鼠模型，特别是心血管、代谢疾病及老年病等严重危害人类健康的重大疾病的动物模型都被申请了专利。以小鼠资源库的最新研究成果为例，研究人员运用ENU诱变方法已经得到了30多种小鼠突变品系，其中包括白内障、耳聋、骨密度异常、肢体缺陷及毛发异常等，克隆了部分相关突变基因，这些突变基因将为这些疾病的治疗找到新的药物靶点，同时这些模型可能可以用于新药的筛选和开发。运用基因剔除技术，研究人员还建立了骨发育异常，胚胎发育缺陷，血糖的调节异常，及免疫细胞分化缺陷等一系列突变小鼠模型，这些模型为发育缺陷类遗传疾病、糖尿病、淋巴瘤等疾病的发病机制研究和药物开发提供了基础。

    人类基因组计划的完成和不断建立的疾病模型又一次强调了自主知识产权的重要性。目前，仅仅克隆一个新基因已经不足以申请专利。对基因功能的了解成为新一轮生物医药知识产权市场的主要内容。我国目前虽然有许多单位通过基因芯片手段克隆了大量基因，但由于没有功能研究的支持，特别是没有像小鼠模型这样的最有力的功能研究结果的支持而不能抢占专利市场。

　

国内外现状和趋势

    利用遗传工程小鼠进行生物学和生物医学的研究是当前生命科学发展的主要内容之一，国际上所有一流的生物和医学研究机构、医学院、大学都建立了利用各种模式生物，特别是小鼠，进行研究的实验室， 80％以上的这类研究单位是以研究模式生物为主，并取得了重大的研究成果。例如，对果蝇和小鼠进行的研究则使人们第一次能诱导出额外眼的生长。目前，小鼠、果蝇和线虫基因组测序已经完成，斑马鱼基因组序列也将明了，这些基因组序列的公布，必将进一步促进利用模式生物进行的发育生物学和生物医学研究。

    由于利用模式生物研究发育和疾病显示的巨大优势和潜力，国外许多公司已注意采用这种策略来发展生物技术和制药产业。美国杰克逊实验室和橡树林国家实验室等在政府的大力支持下，投资5千多万美金进行小鼠的ENU化学诱变和疾病模型研究，英国国立医学研究院和德国GSF医学遗传学研究所等也投入巨资进行相类似的研究。美国Lexicon公司和Regeneron公司等正在构建各种基因失活的小鼠品系，用以筛选具有重要功能的基因。

    国内相关领域的研究也趋成熟，目前南京大学和扬州大学等已经成功开展了大规模筛选ENU诱变小鼠的初步尝试，并得到了几十种可遗传的有特定表型的小鼠品系。而军事医学科学院、上海南方模式生物研究中心、南京大学、扬州大学、复旦大学等单位已建立了较完善的转基因／基因剔除小鼠技术平台和自主建立小鼠的疾病相关模型。

    从整体看，这类研究近年来有以下几个特点：

1．从表型出发的高通量筛选和从单一基因出发的转基因／基因剔除两种研究方法的综合运用

    高通量筛选已经成为现代生物学的一个重要原则和发展趋势。在小鼠遗传学领域，运用表型鉴定的方法，筛选化学诱变或射线诱变的小鼠来建立人类疾病模型近年来已经在发达国家流行。例如，美、英、德、日、澳和加拿大等国先后建立了基于ENU诱变的大规模筛选中心，数以千计新的小鼠品系，模拟人类代谢性疾病、自身免疫疾病、老年性疾病和神经系统疾病的模型正在不断被建立起来，相关基因开始被克隆。随着基因组计划的进行，大量的染色体定位标志和基因组多态性被发现，大大加快了从表型到突变基因的克隆速度。

    传统的单一基因的转基因／基因剔除技术也同时在各实验室越来越普及，新的方法和手段也不断建立，特别是可诱变转基因小鼠和组织特异性基因剔除小鼠的建立，使分析特定基因在特定发育时空的功能成为可能，所以在生物学研究中运用越来越广泛。

2．不同种类模式动物的综合利用

    模式动物的综合利用也是目前疾病模型建立的趋势之一。线虫、果蝇、斑马鱼和小鼠等模式动物各有其优势。例如，线虫的细胞分化谱系明确，为研究细胞－细胞间相互作用和特定细胞功能提供了很好的模型，Brenner、Horvitz和Sulston利用线虫发现细胞凋亡调控的关键基因。果蝇的遗传背景清楚，基因定位与表型效应的关系明确，各种遗传分析方法也较成熟，利用这些优势，Morgan阐明了染色体遗传连锁规律，而Lewis、Nusslein-Volhard和Wieschaus在突变表型分析的基础上建立了现代发育生物学的基本框架。斑马鱼通体透明，是研究器官发生的最佳材料之一。当然，由于小鼠和人类的高度同源，更多的研究以小鼠为对象，从Snell通过小鼠的皮肤移植提出组织相容性抗原概念到现代遗传学家通过小鼠基因组改造建立人类疾病模型和研究基因功能，小鼠研究已经一次次证明了其对生命科学发展的重要性及产生的重大影响。我国在除小鼠外，对其他几种模式动物的研究均较为薄弱。目前开展果蝇研究的有复旦大学、湖南师范大学、东南大学和南京大学等，开展斑马鱼研究的有清华大学、南京大学、北京大学和中科院上海生命研究院等，整合和加强这些研究力量将对推动模式动物研究的全面发展至关重要，为此，本项目中还提出了运用不同模式动物建立疾病模型的思路。

 

　

国内相关研究的现存问题及对策

    国内系统进行建立重大疾病模型的工作仍处在初级阶段。其原因主要有几个方面：一是不同领域的合作不够，疾病模型的筛选、建立和分析需要多方面科学家，特别是生物学家和医学第一线医生的相互沟通和合作；第二是缺乏不同动物模型的标准和鉴定机构。国家遗传工程小鼠资源库的建立对这些动物模型的统一鉴定和比较将大大改善这种情况；第三是缺乏统一的保种和繁育中心而使这些动物模型不能最大限度的得到认识和应用, 国家遗传工程小鼠资源库的建立是解决这一问题的关键；第四是缺乏技术上的沟通。疾病的多样性决定了模型的构建必须应用不同的方法，而通过资源库科学家和国内优势研究团队的联合攻关,优势互补将对更快更好地建立疾病模型起到重大推动作用。这种联合攻关模式已经成为遗传工程小鼠研究的国际通用模式。最近，一些著名科学家已经提出了通过国际合作建立1000种新的小鼠重组近交系用于研究多基因遗传疾病的设想，我们正在努力加入这一联盟，从而共享资源。最后，缺乏知识产权保护也是国内存在的一个问题。通过资源库项目实行统一保种和管理，既有利于扩大特定模型的运用，也有利于专利的申报和保护。例如，美、英、德等国建立建立ENU诱变中心等已取得了较好的成果。