Модельные организмы

Моде́льные органи́змы — организмы, используемые в качестве моделей для изучения тех или иных свойств, процессов или явлений живой природы. Модельные организмы интенсивно изучаются, причём одна из причин этого — надежда на то, что открытые при их изучении закономерности окажутся свойственны и другим более или менее похожим организмам, в том числе и человеку. Часто модельные организмы используются в тех случаях, когда проведение соответствующих исследований на человеке невозможно по техническим или этическим причинам. Использование модельных организмов основано на том, что все живые организмы имеют общее происхождение и сохраняют много общего в механизмах хранения и реализации наследственной информации, метаболизме и др.

Выбор модельных организмов

Модельными становятся организмы, по которым уже накоплено много научных данных. Обычно модельным организмом специально занимаются несколько лабораторий или исследовательских групп, а по результатам его изучения опубликовано от нескольких сотен до многих тысяч статей.

В качестве модельных выбирают обычно организмы, которых легко содержать и разводить в лабораторных условиях (Escherichia coli, Tetrahymena thermophila, Arabidopsis thaliana, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Mus musculus). Дополнительными преимуществами является короткое время генерации (быстрая смена поколений), возможность генетических манипуляций (наличие инбредных линий, в случае многоклеточных возможность получения стволовых клеток, разработанные методы генетической трансформации).

Дополнительными причинами для выбора данного объекта в качестве модельного может служить его положение на филогенетическом древе: например, макак-резус является важным модельным организмом для медицинских исследований из-за своего относительно близкого родства с человеком (по той же причине для полной расшифровки был выбран геном шимпанзе).

Наконец, для некоторых областей исследований выбор объекта в качестве модельного определяется прежде всего особенностями его строения. Так, при изучении «простых нервных систем» в качестве моделей используются такие организмы, у которых нейроны идентифицируемые, относительно немногочисленные и (желательно) крупные — например, аплизия.

Исторически сложилось, что модельные организмы (кишечная палочка, дрожжи, дрозофила) стали первыми среди соответствующих групп организмами, геном которых был полностью секвенирован. В дальнейшем наличие полностью секвенированного и расшифрованного генома стало важным требованием для использования организма в качестве модельного в биохимии, генетике, молекулярной биологии и большинстве других областей. По этой причине иногда выбор организма был обусловлен особенностями его генома: так, рыба-фугу Fugu rubripes была выбрана в качестве модели для изучения генома благодаря его малым размерам (низкий процент некодирующих последовательностей).

Ещё один критерий для выбора модельного организма — его экономическая значимость. Поэтому, например, кроме Arabidópsis thaliána в качестве модельных видов растений используются рис Oryza sativa L., люцерна Medicago truncatula и др.

Важные модельные организмы и области их использования

Основная статья: Список модельных объектов (биология)

Вирусы

• Фаг лямбда — молекулярная генетика.
• Phi X 174 — молекулярная генетика; первый полностью секвенированный геном (кольцевая ДНК, содержащая 11 генов, длиной 5386 н. п.

Бактерии

Спорулирующая Bacillus subtilis

• Escherichia coli (E. coli) — грамотрицательная бактерия, молекулярная генетика (один из основных объектов).
• Bacillus subtilis — грамположительная бактерия, молекулярная генетика, изучение споруляции, работы жгутиков.
• Mycoplasma genitalium — «минимальный организм», имеет один из самых маленьких геномов среди всех клеточных организмов; в 2007 году близкий вид использован Крейгом Вентером для пересадки генома, в результате которой один вид бактерий был превращён в другой [1].
• Salmonella Typhimurium — грамотрицательная бактерия, патогенная для мышей и других мелких грызунов, условно патогенна для человека, используется в исследовании мутагенного и канцерогенного эффекта различных химических веществ в тесте Эймса.

Протисты

• Dictyostelium discoideum — молекулярная биология и генетика (его геном секвенирован), эмбриология (межклеточная коммуникация, клеточная дифференцировка, апоптоз).
• Tetrahymena thermophila — пресноводная инфузория; молекулярная генетика (геном секвенирован).

Грибы

• Нейроспора густая Neurospora crassa — плесень, изучение генетической регуляции метаболизма, мейоза и циркадных ритмов^[1].
• Дрожжи Saccharomyces cerevisiae, генетика (регуляция клеточного цикла и др.), использование в хлебопечении и пивоварении.
• Делящиеся дрожжи Schizosaccharomyces pombe (клеточный цикл, клеточная полярность, РНК-интерференция, структура и функция центросом).

Растения

Резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana)

Водоросли

• Хламидомонада Chlamydomonas reinhardtii — одноклеточная зелёная водоросль, изучение фотосинтеза, работы эукариотического жгутика, клеточной подвижности, регуляция метаболизма, клеточная адгезия («склеивание» гамет при половом размножении) и др. Хорошо изучена генетически^[2]. Геном секвенирован в 2007 г.^[3]

Мхи

• Зелёный мох Фискомитрелла раскрытая (Physcomitrella patens) — всё более широко используется в исследованиях развития и эволюционной биологии растений^[4]. Пока это единственный представитель мохообразных, чей геном полностью секвенирован; разработана методика генетической трансформации для данного вида.

Плауновидные

• Плаунок вида Selaginella moellendorffii — эволюция растений, молекулярная биология; геном (один из самых коротких среди высших растений, около 100 мегабаз) секвенирован в 2007 году^[5].

Цветковые

• Резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana), наиболее популярное модельное растение, используемое во многих областях; однолетнее крестоцветное-эфемер, имеющее крайне короткий жизненный цикл и небольшой размер генома (первое из растений, чей геном секвенирован)^[6]. Закартировано и изучено множество морфологических и биохимических мутаций^[6]. Генетическая база данных, содержащая большое количество другой информации об этом виде — TAIR^[6].
• Виды рода Тополь (Populus) — модельные виды для изучения генетики и культивирования древесных растений. Имеют небольшой размер генома и быстрый рост, разработана методика трансформации. Полностью секвенирован геном североамериканского вида Populus trichocarpa.
• Люцерна трункатула (Medicago truncatula) — модельное бобовое, близкий родственник люцерны посевной (Medicago sativa) (молекулярная биология, агрономия).
• Кукуруза сахарная (Zea mays) — одна из основных зерновых культур и классический генетический модельный организм; у этого диплоидного однодольного растения 10 пар крупных хромосом, которые легко изучать под микроскопом, что облегчает цитогенетические исследования; известно большое число фенотипически выраженных мутаций, гены которых закартированы (именно благодаря этому при изучении кукурузы были открыты транспозоны), и большое число потомков от каждого скрещивания (генетика, молекулярная биология, агрономия), именно у кукурузы было впервые обнаружено явление цитоплазматической мужской стерильности. Геном кукурузы отсеквенирован практически полностью, существует специальная база данных^[7], посвящённая генетическим и молекулярнобиологическим исследованиям генома кукурузы.
• Рис посевной (Oryza sativa) — одна из важнейших зерновых культур; имеет один из самых маленьких геномов среди зерновых злаков, который полностью секвенирован (агрономия, молекулярная биология).
• Лук репчатый (Allium cepa) — модельный организм в генотоксикологических исследованиях. Имеет хорошо изученный геном (2n=16) и поэтому подходит для ана-телофазного анализа. Результаты тестов с Allium cepa имеют корреляцию с другими тестами на животных, растительных и микроорганизмах, а также могут быть экстраполированы на человека.

Животные

Круглый червь Caenorhabditis elegans

Стрекающие

• Nematostella vectensis, нематостелла — литоральная роющая актиния из семейства едвардсиид (Edwardsiidae), в последние годы ставшая главным модельным объектом для изучения молекулярной биологии и биологии развития книдарий. В 2007 г. геном нематостеллы был полностью секвенирован^[8].

Черви

• Лжересничный червь Symsagittifera roscoffensis (syn. Convoluta roscoffensis), представитель примитивной группы «бескишечных турбеллярий» (ныне подтип Acoelomorpha) — изучение эволюции плана строения двустороннесимметричных животных.
• Триклада Schmidtea mediterranea — биология развития, регенерация [2]; геном частично секвенирован [3].
• Нематода Caenorhabditis elegans (C. elegans)^[9] — генетический контроль развития и физиологических процессов (первый многоклеточный организм, чей геном был полностью секвенирован; в настоящее время секвенирован геном второго вида из этого рода, C. briggsae).

Членистоногие

• Дрозофилы (род Drosophila), в частности вид Дрозофила фруктовая (Drosophila melanogaster) — плодовая мушка, знаменитый объект генетических исследований. Легко содержится и разводится в лаборатории, имеет быструю смену поколений и множество мутаций с различным фенотипическим выражением. Во второй половине XX века один из основных объектов биологии развития. Геном полностью секвенирован. Недавно стала использоваться для нейрофармакологических исследований^[10].
• Восковую моль, в частности вид Большая восковая моль, разводят в лабораторных условиях как модельный объект для физиологических и биохимических исследований.^[11]

Моллюски

• Аплизия Aplysia californica, заднежаберный моллюск — нейробиология, молекулярные механизмы памяти, перестройки цитоскелета.
• Кальмар Loligo pealei — классический объект для изучения работы нервных клеток и их цитоскелета (имеет гигантские аксоны диаметром до 1 мм).

Иглокожие

• Морские ежи Arbacia punctulata и Strongylocentrotus purpuratus — классические объекты эмбриологии.

Лабораторные мыши

Хордовые

• Асцидия Ciona intestinalis — эмбриология, эволюция генома хордовых.
• Гнюсы (Torpedo) — используются в биомедицинских исследованиях.
• Обыкновенная кошачья акула (Scyliorhinus canicula) — используется при сравнительном анализе гаструляции.
• Фугу (Takifugu rubripes), рыба из семейства Tetraodontidae, — имеет компактный геном с небольшим количеством некодирующих последовательностей. Геном секвенирован.
• Полосатый данио (Danio rerio) — почти прозрачная на ранних стадиях развития пресноводная рыбка; важный объект биологии развития, водной токсикологии и токсикопатологии^[12]. Геном секвенирован.
• Африканская шпорцевая лягушка (Xenopus laevis) — один из основных объектов биологии развития; ооциты используются также для изучения экспрессии генов. Геном секвенирован.
• Курица (Gallus gallus domesticus) — модельный объект эмбриологии амниот, используется с древнейших времен до наших дней, на цыплятах изучают механизмы памяти и обучения.
• Зебровая амадина (Taeniopygia guttata) — разновидность ткачиков, объект исследования генетики поведения, механизмов обучения.
• Домовая мышь (Mus musculus) — главный модельный объект среди млекопитающих. Получено множество инбредных чистых линий, в том числе отобранных по признакам, представляющим интерес для медицины, этологии и др. (склонность к тучности, повышенный и пониженный интеллект, склонность к потреблению алкоголя, различная продолжительность жизни и т. п.). Геном полностью секвенирован. Разработаны методы получения трансгенных мышей с использованием стволовых клеток. Дополнительный интерес представляет как объект для изучения популяционной генетики и процессов видообразования, так как имеет сложную внутривидовую структуру (множество подвидов, различающиеся по кариотипу хромосомные расы).
• Серая крыса (Rattus norvegicus) — важная модель для токсикологии, нейробиологии и физиологии; используется также, наряду с мышью, в молекулярной генетике и геномике. Геном полностью секвенирован.
• Домашний кролик (Oryctolagus cuniculus domesticus) — модель для токсикологии, физиологии, иммунологии, разработки вакцин. Геном секвенирован.
• Кошка домашняя (Felis domesticus) — используется в исследованиях физиологии мозга, дешевле в содержании по сравнению с обезьянами.
• Макак-резус (Macaca mulatta) — медицинские исследования (в том числе изучение инфекционных болезней), этология, нейробиология.
• Шимпанзе (два вида, шимпанзе обыкновенный (Pan troglodytes) и шимпанзе карликовый (Pan paniscus)) — ближайшие родственники человека среди ныне живущих видов. Сейчас используется в основном для изучения сложных форм поведения и познавательной деятельности животных. Геном Pan troglodytes секвенирован.
• Различные врановые (Corvidae) — этология, сложные формы поведения. Геном Corvus brachyrhynchus секвенирован.
• Человек разумный (Homo sapiens) — геном полностью секвенирован. В широком смысле не является модельным организмом. Для человека известен наиболее полный список наследственных заболеваний. Важность для нейрофизиологических исследований определяется способностью сообщать о своих ощущениях и выполнять инструкции экспериментатора.

Другие модельные организмы

Основная статья: Список модельных объектов (биология)

Понятно, что в вышеприведённом списке организмы неравноценны по значимости, а сам список легко может быть расширен прежде всего за счёт организмов, которые используются как модели в более узких областях исследования. Например, наземная улитка Cepaea nemoralis — классический объект для изучения популяционной экологии и генетики, в том числе действия на популяции естественного отбора; медицинская пиявка Hirudo medicinalis — один из модельных объектов изучения локомоции в нейробиологии, и т. п.

Другие модельные объекты в биологии

Кроме организмов, модельными объектами могут служить и биологические системы других уровней организации — молекулы, клетки и их части (например, гигантский аксон кальмара), клеточные линии (например, линия клеток человека HeLa), органы (например, упомянутый в списке беспозвоночных стоматогастрический ганглий десятиногих раков), популяции и экосистемы.

См. также

• Моделирование биологических систем

Примечания

1. Davis, Rowland H. Neurospora: contributions of a model organism (англ.). — Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press, 2000. — ISBN 0-19-512236-4.
2. Chlamydomonas reinhardtii resources at the Joint Genome Institute  (неопр.). Дата обращения: 26 августа 2009. Архивировано из оригинала 23 июля 2008 года.
3. Chlamydomonas genome sequenced Архивная копия от 15 марта 2008 на Wayback Machine published in Science, October 12, 2007
4. Rensing S. A., Lang D., Zimmer A. D., et al. The Physcomitrella genome reveals evolutionary insights into the conquest of land by plants (англ.) // Science : journal. — 2008. — January (vol. 319, no. 5859). — P. 64—9. — doi:10.1126/science.1150646. — PMID 18079367. Архивировано 6 марта 2008 года.
5. Selaginella moellendorffii v1.0, DOE Joint Genomics Institute, 2007, Архивировано из оригинала 24 апреля 2011, Дата обращения: 17 мая 2011
6. About Arabidopsis on The Arabidopsis Information Resource page ( Архивная копия от 12 ноября 2019 на Wayback MachineTAIR)
7. MaizeGDB.org база данных изучения генома кукурузы  (неопр.). Дата обращения: 21 февраля 2010. Архивировано 10 февраля 2010 года.
8. Putnam N. H., Srivastava M., Hellsten U., Dirks B., Chapman J et al. Sea anemone genome reveals ancestral eumetazoan gene repertoire and genomic organization (англ.) // Science. — 2007. — Vol. 317. — P. 86—94. — PMID 17615350.
9. Riddle, Donald L. C. elegans II (неопр.). — Plainview, N.Y: Cold Spring Harbor Laboratory Press^[англ.], 1997. — ISBN 0-87969-532-3. Архивировано 19 июня 2009 года.
10. Manev H., Dimitrijevic N., Dzitoyeva S. Techniques: fruit flies as models for neuropharmacological research (неопр.) // Trends Pharmacol Sci.. — 2003. — Т. 24, № 1. — С. 41—3. — doi:10.1016/S0165-6147(02)00004-4. Архивировано 2 ноября 2017 года.
11. Serrano, I., Verdial, C., Tavares, L., & Oliveira, M. (2023). The Virtuous Galleria mellonella Model for Scientific Experimentation. Antibiotics, 12(3), 505. PMID 36978373 PMC 10044286 doi:10.3390/antibiotics12030505
12. Spitsbergen J. M., Kent M. L. The state of the art of the zebrafish model for toxicology and toxicologic pathology research—advantages and current limitations (англ.) // Toxicol Pathol^[англ.] : journal. — 2003. — Vol. 31, no. Suppl. — P. 62—87. — doi:10.1080/01926230390174959. — PMID 12597434. — PMC 1909756. Архивировано 16 июля 2012 года. Архивированная копия  (неопр.). Дата обращения: 26 августа 2009. Архивировано 16 июля 2012 года.

Литература

• Лабораторные животные // Большая российская энциклопедия. Том 16. — М., 2010. — С. 540.

Ссылки

• [4] GMOD, Genetic Model Organism Database — Базы данных о модельных объектах генетики.