2023.7.20華中農(nóng)業(yè)大學(xué)全英文選修課程生物技術(shù)中的微生物學(xué)課程第九節(jié)課程要點(diǎn)
關(guān)于 RTPCR 的問(wèn)題,RTPCR 是一種用于研究信使 RNA 或克隆真核基因的技術(shù),它需要兩個(gè)步驟。第一步是制備反向轉(zhuǎn)錄的互補(bǔ) DNA,第二步是進(jìn)行常規(guī) PCR。這兩個(gè)步驟需要不同的試劑和酶,并在不同的反應(yīng)管中進(jìn)行。是關(guān)于 Wolbachia 的講解,Wolbachia 是一種革蘭氏陰性細(xì)菌,它是一種寄生在昆蟲、節(jié)肢動(dòng)物和甲殼動(dòng)物中的內(nèi)生菌。它必須在真核細(xì)胞內(nèi)生長(zhǎng),因此難以培養(yǎng)和研究。目前還沒有進(jìn)行過(guò) Wolbachia 轉(zhuǎn)化或基因編輯等遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)。Wolbachia 存在于許多不同的昆蟲中,它們的關(guān)系可以從寄生到共生不等。Wolbachia是一種細(xì)菌,可以在昆蟲細(xì)胞內(nèi)寄生,有些情況下它是共生的,有些情況下它是寄生的;Wolbachia不同的菌株會(huì)寄生在不同種類的昆蟲中,并以宿主的名稱來(lái)命名;Wolbachia主要通過(guò)母系傳播,而且?guī)缀醪煌ㄟ^(guò)水平傳播;垂直傳播有多種機(jī)制,其中包括行為和母源傳播;Wolbachia在宿主中的角色不同,有時(shí)會(huì)產(chǎn)生維生素幫助宿主,有時(shí)則會(huì)是寄生的。講述關(guān)于昆蟲中的桿狀桿菌(Wolbachia)如何通過(guò)母系傳遞影響昆蟲的生殖表型,以及它如何利用這些表型調(diào)節(jié)寄主昆蟲的繁殖以增加自身的傳播。它通過(guò)產(chǎn)卵過(guò)程中的營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞和卵細(xì)胞之間的結(jié)構(gòu)和微管細(xì)胞骨架來(lái)實(shí)現(xiàn)母系傳遞。Wolbachia 可以誘導(dǎo)昆蟲的生殖表型,其中包括殺死雄性、雌性化、半胚形成和孤雌生殖等,以增加寄主種群中雌性數(shù)量,從而提高自身的傳播效率。其中,孤雌生殖是指昆蟲通過(guò)無(wú)需交配就能克隆自己,從而使其所有后代都被感染,而其他表型則涉及到通過(guò)細(xì)胞不相容性和救援機(jī)制來(lái)影響寄主的繁殖。這些機(jī)制都是 Wolbachia 利用自身的基因機(jī)制來(lái)操縱昆蟲的繁殖方式,以增加自身的傳播效率。其中,CI是一種基因驅(qū)動(dòng)技術(shù),可以將細(xì)菌感染推動(dòng)到昆蟲群體中,從而提高其繁殖優(yōu)勢(shì)。 CI的應(yīng)用包括不育昆蟲技術(shù)和基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)。不育昆蟲技術(shù)是將許多雄性昆蟲進(jìn)行絕育,然后釋放到野外與雌性昆蟲交配,生產(chǎn)死亡后代,從而減少種群數(shù)量?;蝌?qū)動(dòng)技術(shù)是將一種表型驅(qū)動(dòng)到一個(gè)種群中,使用CI時(shí),需要將感染的雄性與未感染的雌性進(jìn)行交叉,從而實(shí)現(xiàn)不育的CI交叉。此外,感染的雌性昆蟲也可以用于基因驅(qū)動(dòng)技術(shù),因?yàn)樗鼈兙哂懈叩倪m應(yīng)性。
wobakia最初是在1924年發(fā)現(xiàn)的,并且在20世紀(jì)早期,人們開始意識(shí)到昆蟲可以傳播疾病。然而,由于wobakia不會(huì)引起疾病,人們?cè)陂L(zhǎng)達(dá)50年的時(shí)間內(nèi)失去了對(duì)它的興趣。在20世紀(jì)60年代,Hans Laven發(fā)現(xiàn)了CI,但當(dāng)時(shí)還不知道這是由wobakia引起的。在20世紀(jì)70年代,Janis、Yen和Ralph Bar證明了CI是由wobakia引起的。他們進(jìn)行了交叉實(shí)驗(yàn),證明了CI是由感染wobakia的昆蟲引起的。
實(shí)驗(yàn)涉及到雜交,通過(guò)感染雄性昆蟲的精子,使得與雌性昆蟲交配會(huì)導(dǎo)致CI(Cytoplasmic incompatibility)。研究中的陽(yáng)性對(duì)照組是CI,陰性對(duì)照組是正常雜交。使用抗生素可以去除感染的Wolbachia,這是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟。在1990年代,研究者利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)Wolbachia感染會(huì)擴(kuò)散,Michael Terrelli通過(guò)PCR實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)假設(shè)。Wolbachia感染可以影響RNA病毒的復(fù)制,從而抑制它們的擴(kuò)散。在試圖將Wolbachia應(yīng)用于控制蚊蟲感染疾病的實(shí)驗(yàn)中,Wolbachia的致病性使得這個(gè)計(jì)劃失敗了。
講解了用wobakia來(lái)抑制RNA病毒在蚊子體內(nèi)復(fù)制的應(yīng)用,以及Sterile Insect Technique(SIT)的概念和歷史。SIT是一種利用無(wú)法繁殖的昆蟲雄性來(lái)壓制某一種蟲害的技術(shù),其中需要四個(gè)步驟:大規(guī)模繁殖昆蟲、性別分離、滅菌和大規(guī)模釋放昆蟲。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明者是美國(guó)研究員尼普林(Nipling),他在美國(guó)農(nóng)業(yè)部和軍隊(duì)工作時(shí),解決了螺旋體蟲害對(duì)牛的威脅?,F(xiàn)代的SIT應(yīng)用包括使用放射性、基因突變或wobakia來(lái)滅菌,以及大規(guī)模釋放蚊子來(lái)控制瘧疾等傳染病。在這種情況下,這頭牛很健康,但是在初級(jí)階段,伊斯蘭國(guó)的一只蒼蠅可以在牛身上產(chǎn)卵,這會(huì)導(dǎo)致傷口,它們會(huì)實(shí)際上吃動(dòng)物的活體組織并造成傷口,這樣會(huì)引來(lái)其他蒼蠅產(chǎn)卵,情況就會(huì)惡化,這可能會(huì)導(dǎo)致牛死亡,這些蒼蠅可以實(shí)際上吃掉很多牛,這是一種惡心的疾病。在南部美國(guó),這是一個(gè)很大的問(wèn)題,所以我們?cè)?jīng)在整個(gè)南部美國(guó)和中美洲都有螺旋線蟲,而它們?cè)谀厦乐奕匀淮嬖?。所以,尼姆普林發(fā)明了斯特林襪技術(shù)來(lái)移除螺旋線蟲。他們會(huì)收集螺旋線蟲的幼蟲,將它們放在放射性鉻管中,以便對(duì)它們進(jìn)行輻射,這會(huì)使精子不孕,然后將這些輻射后的幼蟲放在飛機(jī)上釋放,以釋放所有不育的雄蟲。這是第一個(gè)滅螺旋線蟲的應(yīng)用程序,非常成功,現(xiàn)在也有其他應(yīng)用程序,例如針對(duì)蚊子的顯性致死基因技術(shù),這種技術(shù)可以使蚊子的基因在特定環(huán)境中死亡,從而控制蚊子的數(shù)量。
其中介紹了兩種滅蚊技術(shù):性別分選和不相容昆蟲技術(shù)(IIT)。首先,講解了性別分選的過(guò)程,使用玻璃板將雌性和雄性蚊子分開,以便能夠釋放只有雄性蚊子的種群。然后介紹了不相容昆蟲技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式,包括通過(guò)引入不同種類的細(xì)菌實(shí)現(xiàn)昆蟲不育。最后,講解了研究者對(duì)不相容昆蟲技術(shù)的研究,試圖找出Wolbachia細(xì)菌是如何使蚊子不育的機(jī)制。討論了關(guān)于昆蟲 Wolbachia 病毒感染如何影響精子成熟的話題。通過(guò)介紹精子成熟的過(guò)程和 Wolbachia 在精子成熟過(guò)程中的表現(xiàn),得出結(jié)論成熟的精子中不含 Wolbachia。討論者提出了假設(shè),認(rèn)為 Wolbachia 可能是通過(guò)某種蛋白質(zhì)導(dǎo)致精子不育,并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)。實(shí)驗(yàn)中,他們通過(guò)比較正常精子和不育精子中的蛋白質(zhì),發(fā)現(xiàn)了一個(gè)只存在于不育精子中的蛋白質(zhì)帶,從而得出這個(gè)蛋白質(zhì)可能導(dǎo)致精子不育的結(jié)論。最后,他們將這個(gè)蛋白質(zhì)帶切出來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步分析。
講述了一些關(guān)于蛋白質(zhì)測(cè)序的實(shí)驗(yàn),以及后續(xù)的研究探索。實(shí)驗(yàn)通過(guò)液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù),得到了蚊子與Wobakia菌中的蛋白質(zhì)列表,發(fā)現(xiàn)了Wobakia在精子中的一種名為WPA0282的蛋白質(zhì)。研究者推測(cè)WPA0282可能參與了殺蟲不育現(xiàn)象的形成。但問(wèn)題在于,這個(gè)蛋白質(zhì)的功能仍然不明確,因此需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。研究者利用反轉(zhuǎn)錄PCR技術(shù)驗(yàn)證了WPA0282是一個(gè)二基因的操作子,并且猜測(cè)這兩個(gè)基因可能參與殺蟲不育現(xiàn)象的誘導(dǎo)和拯救。為了測(cè)試這一假設(shè),研究者克隆了這兩個(gè)基因并將其插入到了蚊子中進(jìn)行研究。除此之外,研究者還提到了研究未知基因的一般步驟,包括序列比對(duì)、克隆、表達(dá)等。首先,實(shí)驗(yàn)者們?cè)诮湍讣?xì)胞中測(cè)試了兩個(gè)基因(稱為Sid A和Sid B),發(fā)現(xiàn)Sid B有毒性表型,而Sid A沒有。他們還在果蠅中表達(dá)這些基因,并證明了A和B組合才能使果蠅存活。接著,他們將這些基因克隆到表達(dá)質(zhì)粒中,并進(jìn)行了Western blot實(shí)驗(yàn),證明了A和B之間的特定相互作用。這是重要的,因?yàn)檫@表明特定的相互作用是拯救因子的關(guān)鍵。最后,他們還討論了雙向不兼容性和操作子的匹配問(wèn)題,這是拯救因子是否能夠成功的關(guān)鍵。
對(duì)于一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和討論。實(shí)驗(yàn)包括了三個(gè)部分:證明兩個(gè)特定的基因之間具有特異性互作關(guān)系、構(gòu)建表達(dá)這兩個(gè)基因的轉(zhuǎn)基因果蠅、以及分析果蠅交配后的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這兩個(gè)基因之間的互作關(guān)系是特異性的,且一個(gè)基因具有毒性,但與另一個(gè)基因共同表達(dá)時(shí)可以被拯救。轉(zhuǎn)基因果蠅的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)兩個(gè)基因同時(shí)表達(dá)時(shí)會(huì)導(dǎo)致不育,因?yàn)槠渲幸粋€(gè)基因會(huì)降解另一個(gè)基因的抗毒性蛋白,導(dǎo)致其毒性蛋白被激活,從而導(dǎo)致不育。作者的研究目標(biāo)是進(jìn)一步探索這個(gè)分子機(jī)制,并找到控制不育的方法。