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非洲爪蟾:模式生物里的青蛙王子

非洲爪蟾:模式生物里的青蛙王子

□ 撰文/ 毛炳宇

 

19世纪末至20世纪前半叶是实验胚胎学发展的黄金时期。人们采用各种胚胎手术或物理、化学的方法来处理动物胚胎,观察、分析其发育的各种现象。那个时间流行的动物模型有蝾螈、蜥蜴、青蛙和海胆等。比如著名的德国胚胎学家施佩曼主要是以蝾螈为实验材料。1924年,他发现蝾螈原肠胚的胚孔背唇具有很强的诱导能力。如果将这部分组织移植到受体胚胎的腹侧,可以诱导形成一个完整的次级胚胎。由于这一重要发现,施佩曼获得了1935年的诺贝尔奖。

然而在当时,实验所用的受精卵、胚胎都是从自然界中采集的。胚胎材料的缺乏大大限制了胚胎学研究的发展。科研人员要在春天的时候四处寻找野生青蛙或蝾螈,收集受精卵和胚胎,急急忙忙做一通实验,然后在一年剩下的时间里分析实验结果。直到20世纪50年代,非洲爪蟾粉墨登场,才改变了这一尴尬的状况,它也逐渐成为发育生物学研究的主角。

 

帅气的非洲爪蟾

 

非洲爪蟾,属于比较原始的蛙类,学名:Xenopus laevis,它缘何得名?这和它典型的外形特征是分不开的。“Xenopus” 是拉丁语,意思为“特殊的足”,非洲爪蟾后足发达,有五趾,有发达的蹼,其中内侧3趾末端有角质化的爪,故而得名爪蟾;“laevis”意思为“光滑的”,是指其皮肤光滑。加上非洲爪蟾广泛分布于非洲撒哈拉大沙漠以南地区,故而称为非洲爪蟾,俗名光滑爪蟾、非洲滑蟾等。

我们常用青蛙王子来称呼这个实验室的宠儿,其实它外形上和典型的蛙类有一定的区别,也不同于典型的蟾蜍。它体长6~13厘米,身体扁平,呈流线型;雄性个体较小,体长只有雌性的一半;体色灰色至黑色;身体两侧各有一条白色带状条纹,即侧线,属于感觉系统,可以协助它们感知水中的情况,以寻找食物或逃避天敌。

非洲爪蟾虽然是完全水生性,但是它如果长时间接触不到空气是会被“淹死”的,因为它主要靠发达的肺呼吸。另外,非洲爪蟾虽然贵为王子,但是它的吃相实在不敢恭维。你看它用前肢在水底乱搅一番,一些小动物或其他有机物可遭殃了。如果食物过大,它就用后肢上的爪把其撕碎。这四肢并用的进餐方式让人想起来就忍俊不禁。

非洲爪蟾一岁左右就可以交配了,雄蟾多在初春至晚夏,向雌蟾表达爱意。但它的情话不是通过声囊发出的,因为我们的王子根本不具有这种动物常见的发音器官。它有自己独特的高招,当它看上对方时,就朝着异性使劲收缩喉部的肌肉,这样雌蟾就会听到雄蟾的“甜言蜜语”了。雌蟾如果同意交配就会发出一种快节奏的叫声,不同意则会发出一种慢节奏的叫声,这种行为在动物界中是极为罕见的。雌雄交配后,幸福的产卵过程就成为雌蟾的责任了,它一次可产数百枚卵,粘附于植物上或岸边。受精卵孵化为蝌蚪,再经过变态成为幼蛙,这个过程需要6~8周时间。非洲爪蟾在实验室条件下可存活15年左右,有的可达20年。不过,它一般在壮年的时候,就为人类的科研事业而捐躯了。

有趣的是,在王子的老家——非洲,它还有“夏眠”的习性,当夏季池塘干涸时,非洲爪蟾会在泥里挖一个洞躲起来,处于休眠状态,直至雨季来临。

 

青蛙到王子的蜕变

 

1802年,法国博物学家杜丁第一次描述了这一物种,他当时依据的是巴黎自然历史博物馆保存的一件标本。为了纪念他,非洲爪蟾的种名后常常标上他的名字。随后人们才对它的解剖学与分类学进行了进一步的研究。这一时期研究非洲爪蟾的主要是英国伦敦的博物馆和动物园的研究人员,研究所用的标本也都是从非洲进口的。到20世纪30年代以后,欧洲和北美的一些实验室开始自己养殖非洲爪蟾,这是为什么呢?原来,在这一时期,非洲爪蟾被广泛用于医院的早期妊娠诊断,人们对非洲爪蟾的需求大大增加了。这主要归功于英国生物学家霍格本教授。

霍格本主要从事比较内分泌学研究,曾研究垂体切除和外源垂体提取物对蛙类皮肤颜色的调节。1927—1930年,霍格本教授在南非开普顿大学工作,并尝试用当地的非洲爪蟾来开展他的实验。在这一时期,他发现向雌性非洲爪蟾注射牛的垂体前叶提取物会引起排卵。1930年,霍格本教授回到英国,同时也进口了一批非洲爪蟾,养在自己实验室的地下室里,继续进行生殖生理学研究,并优化了垂体提取物诱发爪蟾排卵的条件。1934年,《自然》杂志同时发表他们和另外一家南非实验室的两篇文章,具体描述了利用爪蟾进行早期妊娠检测的方法,即注射孕妇尿(其有效成分为绒毛膜促性腺激素)可以引起爪蟾排卵。这一方法简便易行,被广泛应用于医院的妊娠测试,很多医院都开始饲养非洲爪蟾。由于这一用途,非洲爪蟾在这一时期也从其原产地非洲东南部被输往世界各地,在欧美等地都建立了非洲爪蟾的养殖群体。直到20世纪60年代,这一方法才被免疫学方法所取代。

妊娠测试试验使人们认识到,通过注射激素,可以随时诱导非洲爪蟾排卵,不受季节限制。这一发现对于饱受材料困扰的胚胎学家来说无异于久旱逢甘霖。非洲爪蟾卵子和胚胎个体较大,直径可达1.4毫米,很方便进行实验胚胎学研究,如显微注射、胚胎切割和移植等。加上非洲爪蟾很泼辣,容易饲养,从20世纪50年代开始,非洲爪蟾逐渐成为发育生物学研究的模式动物。荷兰发育生物学家纽库普为推广这一模型做出了重要贡献。他与法伯合作在1956年发表的非洲爪蟾发育图谱与分期标准至今仍被广泛使用。到20世纪80年代分子生物学发展起来之后,发育生物学的研究更依赖于模式动物,研究人员必须统一动物模型,以便将研究方法、试剂标准化,研究结果也更容易汇总、分享。在这一时期,非洲爪蟾无疑仍是两栖动物中发育生物学研究的主要模型。

 

王子的种种英雄事

 

非洲爪蟾的研究为我们认识脊椎动物的发育机制作出了重要贡献。虽然施佩曼在1924年就发现了组织者,但对于组织者作用的分子机制的研究在很长时间内都没有取得突破。直到20世纪80年代中期,英国的施莱克和史密斯教授才发现成纤维细胞生长因子和活性素具有诱导能力。他们所使用的胚胎材料正是非洲爪蟾。直到20世纪90年代,人们才找到了组织者中真正的作用分子:BMP信号抑制因子和Wnt信号抑制因子。这一系列的工作也都是以非洲爪蟾为模型进行的。非洲爪蟾胚胎还曾多次乘坐宇宙飞船到太空旅行,用来研究胚胎在微重力条件下的发育。

1997年,克隆羊多利的诞生轰动了世界,它是世界上第一个克隆的哺乳动物。实际上,克隆动物最早是在非洲爪蟾中获得成功的。1962年,英国牛津大学的生物学家戈登利用非洲爪蟾进行了一系列的核移植试验,当时的主要目的是研究不同发育时期胚胎细胞核的发育能力。他先用紫外线照射爪蟾卵细胞,破坏其细胞核,然后取爪蟾蝌蚪的肠上皮细胞、肝细胞、肾细胞等的细胞核,植入上述处理过的卵细胞内,其中一少部分卵会开始分裂并可发育至一定时期。利用蝌蚪小肠上皮细胞作为核供体,通过连续核移植的办法,戈登成功获得少量蝌蚪,其中有几只成功发育成为成体爪蟾。这可能是世界上最早的克隆动物。这一结果轰动了科学界,充分证明了细胞核的全能性,也开创了动物克隆的时代。

我们不得不承认非洲爪蟾是戈登的亲密朋友,20世纪70年代初,戈登教授发现,将外源血红蛋白信使RNA注射入爪蟾卵母细胞中,可以在卵母细胞中表达出血红蛋白。此后,卵母细胞表达系统在细胞生物学研究中发挥了重要作用。比如,应用非洲爪蟾卵母细胞表达外源离子通道或其他受体基因是目前离子通道或受体结构和功能研究中的一种重要方法,在研究离子通道及神经递质受体的结构、功能及药理作用方面都发挥了重要作用。

非洲爪蟾的卵母细胞真是生物实验的绝佳材料,它除了构建卵母细胞表达系统,还常用于细胞分裂与细胞周期调控的研究。早在1971年,研究人员首先在豹蛙中发现,成熟卵母细胞中存在一种物质,把这种物质注射到未成熟卵母细胞中,会加速它进行减数分裂而成熟。因此他们把这种物质叫作“成熟促进因子”(MPF)。这一结果随后在非洲爪蟾中得以证实。此后,非洲爪蟾成为相关研究的重要材料。人们发现MPF不仅能促进卵母细胞的减数分裂,也可以促进正常体细胞的有丝分裂。更有趣的是,卵母细胞中MPF的活性会随着细胞周期而变化,它在卵母细胞进行减分裂前活性最高;而当卵母细胞分裂后,MPF的活性亦随之消失。接下来,研究人员尝试从爪蟾的未受精卵中纯化MPF。但由于MPF的活性测试十分繁琐,它本身又极不稳定,这一工作进行得很不顺利。直到1988年,MPF才被纯化,发现它由两个蛋白组成,一个是周期素(一种随着细胞分裂过程而周期性表达的蛋白),另一个是一种周期素依赖性蛋白激酶。这是细胞周期调控研究中的一次重大突破,极大地推动了细胞周期的研究。时至今日,非洲爪蟾卵母细胞系统仍然是细胞周期研究的重要材料。

 

王子的近亲

 

虽然非洲爪蟾作为动物模型有许多优点,但也存在着严重的缺陷,即很难进行遗传学研究。这主要是由于其生命周期过长,从受精发育至成熟具生殖能力的成蛙需时一年。同时,非洲爪蟾是异源四倍体,多数基因都存在4个拷贝,很难进行遗传突变试验。近年来,另一个非洲爪蟾的近缘品种——热带爪蟾开始进入人们的视野。与非洲爪蟾相比,热带爪蟾个体较小,世代周期短(约4个月),是二倍体品种,因而比较适于进行遗传学试验。它同时也具备非洲爪蟾所具有的实验胚胎学研究优势,如激素诱导产卵,产卵量大等。热带爪蟾的卵直径约0.6~0.7毫米, 足以进行显微操作实验。在非洲爪蟾中建立的实验方法均可直接应用于热带爪蟾中。目前热带爪蟾的基因组测序已基本完成,并有望成为重要的发育遗传学研究模型。但非洲爪蟾卵子和胚胎个体大,可操作性更强,仍是热带爪蟾所不能替代的。

走出实验室外,非洲爪蟾还有一种白化品系——“金蛙”,成体呈黄色,眼睛呈红色。人们赋予它富贵祥和的象征,它也因此逐渐成为水族箱中人们爱不释手的宠物。■

 

作者简介

毛炳宇,中国科学院昆明动物研究所研究员,中德马普青年科学家小组组长,研究方向为脊椎动物神经系统发育的分子机制。

 

(责编 桑新华)

 

[图说]

杜丁(1802年)所描绘的非洲爪蟾,图中正确地描绘了爪蟾的眼睛、侧线,但并没有画出它后肢特征性的爪和蹼。

实验条件下产生的双头蝌蚪

非洲爪蟾的胚胎(放大20倍)

白化系的非洲爪蟾

 

  

Hits:  UpdateTime:2010-05-17  【Printing】  【Close