Xenopus laevis: putera katak antara organisma model

Xenopus laevis: putera katak antara organisma contoh

□ Ditulis oleh Mao Bingyu

Akhir abad ke-19 hingga separuh pertama abad ke-20 adalah tempoh keemasan untuk perkembangan embriologi eksperimen. Orang ramai menggunakan pelbagai pembedahan embrio atau kaedah fizikal dan kimia untuk memproses embrio haiwan, dan memerhati serta menganalisis pelbagai fenomena perkembangan mereka. Model haiwan yang popular pada masa itu termasuk salamander, cicak, katak dan landak laut. Sebagai contoh, ahli embriologi Jerman terkenal Spemann terutamanya menggunakan salamander sebagai bahan eksperimen. Pada tahun 1924, beliau mendapati bahawa bibir dorsal blastopore gastrula salamander mempunyai keupayaan induksi yang kuat. Jika bahagian tisu ini dipindahkan ke bahagian ventral embrio penerima, ia boleh mendorong pembentukan embrio sekunder yang lengkap. Untuk penemuan penting ini, Spemann memenangi Hadiah Nobel pada tahun 1935.

Walau bagaimanapun, pada masa itu, telur dan embrio yang disenyawakan yang digunakan dalam eksperimen dikumpulkan dari alam semula jadi. Kekurangan bahan embrio sangat mengehadkan perkembangan penyelidikan embriologi. Penyelidik menghabiskan musim bunga mencari katak liar atau kadal air, mengumpul telur dan embrio yang disenyawakan, menjalankan eksperimen tergesa-gesa, dan menghabiskan sepanjang tahun menganalisis keputusan. Sehinggalah kemunculan Xenopus laevis pada tahun 1950-an barulah keadaan memalukan ini diubah, dan ia secara beransur-ansur menjadi protagonis penyelidikan biologi perkembangan.

Xenopus Afrika yang kacak

Katak cakar Afrika adalah katak yang agak primitif. Nama saintifiknya ialah: Xenopus laevis. Mengapa ia mendapat namanya? Ini tidak dapat dipisahkan daripada ciri penampilan tipikalnya. "Xenopus" adalah bahasa Latin, yang bermaksud "kaki istimewa". Kaki belakang Xenopus berkembang dengan baik, dengan lima jari kaki dan jaring yang berkembang dengan baik. Antaranya, tiga jari kaki dalam mempunyai kuku keratin di hujungnya, jadi ia dinamakan Xenopus; "laevis" bermaksud "licin", yang merujuk kepada kulitnya yang licin. Selain itu, African Xenopus diedarkan secara meluas di kawasan selatan Gurun Sahara di Afrika, jadi ia dipanggil African Xenopus, dan nama biasa ialah Smooth Xenopus, African Slide Toad, dsb.

Kami sering memanggil makmal ini sayang putera katak. Malah, penampilannya agak berbeza daripada katak biasa, dan ia juga berbeza daripada kodok biasa. Ia mempunyai panjang badan 6 hingga 13 sentimeter, badan rata dan bentuk yang diperkemas; jantan lebih kecil, hanya separuh panjang betina; warna badan adalah kelabu hingga hitam; terdapat jalur putih pada setiap sisi badan, garis sisi, yang merupakan sistem deria yang dapat membantu mereka merasakan keadaan di dalam air untuk mencari makanan atau melarikan diri dari musuh alami.

Walaupun katak cakar Afrika benar-benar akuatik, ia akan "tenggelam" jika ia tidak terdedah kepada udara untuk masa yang lama kerana ia bergantung terutamanya pada paru-parunya yang berkembang untuk bernafas.Di samping itu, walaupun katak cakar Afrika dianggap sebagai putera raja, penampilan makanannya benar-benar tidak menyanjung. Anda boleh melihatnya menggunakan kaki depannya untuk mengacau air, menyebabkan beberapa haiwan kecil atau bahan organik lain menderita. Jika makanan terlalu besar, ia menggunakan cakar pada anggota belakangnya untuk mengoyakkannya. Cara makan dengan keempat-empat anggota badan bersama ini membuatkan orang ketawa apabila memikirkannya.

Katak cakar Afrika bersedia untuk mengawan apabila mereka berumur kira-kira satu tahun. Kodok jantan biasanya menyatakan cinta mereka kepada kodok betina dari awal musim bunga hingga akhir musim panas. Tetapi kata-kata cintanya tidak diucapkan melalui kantung vokal, kerana putera raja kita tidak mempunyai organ vokal yang sama dengan haiwan ini. Ia mempunyai helah tersendiri. Apabila ia menyukai lawan jenis, ia akan mengecutkan otot tekaknya secara paksa ke arah lawan jenis, sehingga katak betina akan mendengar "kata-kata manis" katak jantan. Kodok betina akan membuat panggilan pantas jika mereka bersetuju untuk mengawan, dan panggilan perlahan jika mereka tidak. Tingkah laku ini sangat jarang berlaku dalam alam haiwan. Selepas pasangan jantan dan betina, proses bertelur yang gembira menjadi tanggungjawab katak betina, yang boleh bertelur beratus-ratus telur pada satu masa dan melekat pada tumbuhan atau pantai. Telur yang disenyawakan menetas menjadi berudu dan kemudian mengalami metamorfosis menjadi katak muda. Proses ini mengambil masa 6 hingga 8 minggu. Xenopus laevis boleh bertahan selama kira-kira 15 tahun di bawah keadaan makmal, dan ada yang boleh hidup selama 20 tahun. Walau bagaimanapun, ia biasanya mati untuk penyelidikan saintifik manusia ketika ia masih dalam tahap kemuncaknya.

Menariknya, di kampung halaman putera raja - Afrika, ia juga mempunyai tabiat "astivation". Apabila kolam kering pada musim panas, katak cakar Afrika akan menggali lubang di dalam lumpur dan bersembunyi di dalamnya, kekal tidak aktif sehingga musim hujan.

Transformasi daripada katak kepada putera

Spesies ini pertama kali diterangkan oleh naturalis Perancis Dudin pada tahun 1802, berdasarkan spesimen yang dipelihara di Muzium Sejarah Alam di Paris. Untuk menghormatinya, nama spesies katak cakar Afrika sering ditandakan dengan namanya. Kemudian, kajian lanjut dijalankan mengenai anatomi dan taksonominya. Dalam tempoh ini, penyelidik yang mengkaji Xenopus kebanyakannya penyelidik dari muzium dan zoo di London, England, dan spesimen yang digunakan dalam penyelidikan semuanya diimport dari Afrika. Selepas tahun 1930-an, beberapa makmal di Eropah dan Amerika Utara mula membiak Xenopus Afrika sendiri. kenapa ni? Ternyata dalam tempoh ini, Xenopus digunakan secara meluas di hospital untuk diagnosis kehamilan awal, dan permintaan orang ramai untuk Xenopus meningkat dengan ketara. Ini terutamanya disebabkan oleh ahli biologi British Profesor Hogburn.

Hogben pakar dalam endokrinologi perbandingan dan telah mengkaji modulasi warna kulit pada katak dengan hipofisektomi dan ekstrak pituitari eksogen.Dari 1927 hingga 1930, Profesor Hogben bekerja di Universiti Cape Town di Afrika Selatan dan cuba menjalankan eksperimennya dengan Xenopus laevis tempatan. Dalam tempoh ini, beliau mendapati bahawa menyuntik Xenopus laevis betina dengan ekstrak kelenjar pituitari anterior lembu menyebabkan ovulasi. Pada tahun 1930, Profesor Hogburn kembali ke UK dan juga mengimport sekumpulan Xenopus laevis dan menyimpannya di ruangan bawah tanah makmalnya. Beliau terus menjalankan penyelidikan mengenai fisiologi pembiakan dan mengoptimumkan keadaan untuk ekstrak pituitari untuk mendorong ovulasi dalam Xenopus laevis. Pada tahun 1934, majalah "Nature" menerbitkan dua artikel oleh mereka dan satu lagi makmal Afrika Selatan pada masa yang sama, menerangkan secara terperinci kaedah menggunakan Xenopus untuk pengesanan awal kehamilan, iaitu, menyuntik air kencing wanita hamil (bahan aktifnya ialah chorionic gonadotropin) boleh menyebabkan Xenopus ovulasi. Kaedah ini mudah dan mudah untuk dilaksanakan dan digunakan secara meluas dalam ujian kehamilan di hospital. Banyak hospital telah mula menternak katak cakar Afrika. Disebabkan penggunaan ini, Xenopus laevis juga telah dieksport ke pelbagai bahagian dunia dari Afrika tenggara asalnya dalam tempoh ini, dan kumpulan pembiakan Xenopus laevis telah ditubuhkan di Eropah, Amerika Syarikat dan tempat-tempat lain. Ia tidak sehingga tahun 1960-an bahawa kaedah ini digantikan dengan kaedah imunologi.

Ujian kehamilan membawa kepada kesedaran bahawa ovulasi dalam Xenopus laevis boleh didorong pada bila-bila masa, tanpa mengira musim, dengan menyuntik hormon. Penemuan ini bagaikan hujan selepas kemarau panjang bagi ahli embriologi yang terganggu dengan bahan tersebut. Telur dan embrio Xenopus bersaiz besar, sehingga 1.4 mm diameter, menjadikannya mudah untuk penyelidikan embriologi eksperimen, seperti suntikan mikro, pemotongan embrio dan pemindahan.Selain itu, Xenopus laevis sangat agresif dan mudah dibesarkan. Sejak tahun 1950-an, Xenopus laevis secara beransur-ansur menjadi haiwan model untuk penyelidikan biologi perkembangan. Ahli biologi perkembangan Belanda Neukup membuat sumbangan penting untuk mempopularkan model ini. Atlas perkembangan dan piawaian pementasan untuk Xenopus laevis yang diterbitkan pada tahun 1956 oleh beliau dan Farber masih digunakan secara meluas sehingga kini. Selepas pembangunan biologi molekul pada tahun 1980-an, penyelidikan tentang biologi perkembangan lebih bergantung kepada haiwan model. Penyelidik mesti menyatukan model haiwan untuk menyeragamkan kaedah dan reagen penyelidikan, dan menjadikan hasil penyelidikan lebih mudah untuk diringkaskan dan dikongsi. Dalam tempoh ini, Xenopus laevis sudah pasti kekal sebagai model dominan untuk kajian biologi perkembangan di kalangan amfibia.

Pelbagai kepahlawanan putera raja

Penyelidikan mengenai Xenopus laevis telah memberi sumbangan penting kepada pemahaman kita tentang mekanisme perkembangan vertebrata. Walaupun Spemann menemui penganjur pada tahun 1924, tiada kejayaan dibuat dalam kajian mekanisme molekul tindakan penganjur untuk masa yang lama. Sehingga pertengahan 1980-an, Profesor Schreck dan Smith dari UK mendapati bahawa faktor pertumbuhan fibroblast dan aktivin mempunyai keupayaan induksi. Bahan embrio yang mereka gunakan ialah Xenopus laevis. Sehingga tahun 1990-an orang ramai menemui molekul peranan sebenar dalam penganjur: perencat isyarat BMP dan perencat isyarat Wnt.Siri kerja ini juga dijalankan menggunakan Xenopus laevis sebagai model. Embrio Xenopus juga telah mengembara ke angkasa berkali-kali menggunakan kapal angkasa untuk mengkaji perkembangan embrio dalam keadaan mikrograviti.

Pada tahun 1997, kelahiran Dolly biri-biri klon menyebabkan sensasi di dunia. Dia adalah mamalia klon pertama di dunia. Malah, pengklonan haiwan pertama yang berjaya adalah di Xenopus laevis. Pada tahun 1962, Gordon, seorang ahli biologi di Universiti Oxford di United Kingdom, menjalankan satu siri eksperimen pemindahan nuklear menggunakan Xenopus laevis. Tujuan utama pada masa itu adalah untuk mengkaji keupayaan perkembangan nukleus embrio pada peringkat perkembangan yang berbeza. Dia mula-mula menyinari sel telur Xenopus laevis dengan cahaya ultraungu untuk memusnahkan nukleusnya, kemudian mengambil nukleus sel epitelium usus, sel hati, sel buah pinggang, dll. daripada berudu Xenopus laevis dan menanamnya ke dalam sel telur yang dirawat di atas. Sebilangan kecil telur akan mula membahagi dan berkembang ke peringkat tertentu. Menggunakan sel epitelium usus berudu sebagai penderma nuklear, Gordon berjaya memperoleh sebilangan kecil berudu melalui pemindahan nuklear bersiri, beberapa daripadanya berjaya berkembang menjadi Xenopus laevis dewasa. Ini mungkin haiwan klon pertama di dunia. Keputusan ini mengejutkan komuniti saintifik, membuktikan sepenuhnya totipotensi nukleus sel, dan membawa kepada era pengklonan haiwan.

Kita harus mengakui bahawa Xenopus adalah kawan rapat Gordon. Pada awal 1970-an, Profesor Gordon mendapati bahawa menyuntik RNA penghantar hemoglobin eksogen ke dalam oosit Xenopus boleh mengekspresikan hemoglobin dalam oosit.Sejak itu, sistem ekspresi oosit telah memainkan peranan penting dalam penyelidikan biologi sel. Sebagai contoh, penggunaan oosit Xenopus laevis untuk menyatakan saluran ion eksogen atau gen reseptor lain pada masa ini merupakan kaedah penting dalam kajian struktur dan fungsi saluran atau reseptor ion, dan telah memainkan peranan penting dalam mengkaji struktur, fungsi dan kesan farmakologi saluran ion dan reseptor neurotransmitter.

Oosit Xenopus adalah bahan yang sangat baik untuk eksperimen biologi. Selain membina sistem ekspresi oosit, ia juga sering digunakan dalam penyelidikan mengenai pembahagian sel dan peraturan kitaran sel. Seawal tahun 1971, penyelidik pertama kali menemui dalam katak harimau bintang bahawa terdapat bahan dalam oosit matang. Menyuntik bahan ini ke dalam oosit yang tidak matang akan mempercepatkan meiosis dan kematangannya. Jadi mereka memanggil bahan ini "faktor penggalak kematangan" (MPF). Keputusan ini kemudiannya disahkan dalam Xenopus laevis. Sejak itu, Xenopus laevis telah menjadi bahan penting untuk penyelidikan berkaitan. Didapati bahawa MPF bukan sahaja boleh menggalakkan meiosis oosit, tetapi juga menggalakkan mitosis sel somatik normal. Apa yang lebih menarik ialah aktiviti MPF dalam oosit berubah mengikut kitaran sel. Ia paling aktif sebelum oosit mengalami meiosis; dan apabila oosit membahagi, aktiviti MPF juga hilang. Seterusnya, para penyelidik cuba membersihkan MPF ​​daripada telur Xenopus laevis yang tidak disenyawakan. Walau bagaimanapun, disebabkan ujian aktiviti MPF sangat menyusahkan dan sangat tidak stabil, kerja ini tidak berjalan lancar.Sehingga tahun 1988 MPF telah dimurnikan dan didapati terdiri daripada dua protein, satu adalah cyclin (protein yang secara berkala diekspresikan semasa pembahagian sel) dan satu lagi ialah kinase protein yang bergantung kepada cyclin. Ini adalah satu kejayaan besar dalam kajian peraturan kitaran sel, yang sangat menggalakkan penyelidikan kitaran sel. Sehingga hari ini, sistem oosit Xenopus laevis kekal sebagai bahan penting untuk penyelidikan kitaran sel.

Saudara terdekat Putera

Walaupun Xenopus laevis mempunyai banyak kelebihan sebagai model haiwan, ia juga mengalami kelemahan serius iaitu sukar untuk menjalankan kajian genetik. Ini disebabkan terutamanya oleh kitaran hayatnya yang panjang, yang mengambil masa satu tahun dari persenyawaan kepada katak dewasa yang matang dan pembiakan. Pada masa yang sama, Xenopus laevis ialah allotetraploid, dengan empat salinan kebanyakan gen, menjadikannya sukar untuk menjalankan ujian mutasi genetik. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, satu lagi spesies yang berkaitan dengan katak cakar Afrika, Xenopus tropicalis, telah mula memasuki bidang penglihatan manusia. Berbanding dengan Xenopus Afrika, Xenopus tropicalis adalah lebih kecil, mempunyai kitaran generasi yang lebih pendek (kira-kira 4 bulan), dan merupakan spesies diploid, menjadikannya lebih sesuai untuk eksperimen genetik. Ia juga mempunyai kelebihan penyelidikan embriologi eksperimen Xenopus, seperti pemijahan yang disebabkan oleh hormon dan pengeluaran telur yang besar. Diameter telur Xenopus laevis adalah kira-kira 0.6-0.7 mm, yang cukup untuk eksperimen mikromanipulasi.Kaedah eksperimen yang ditubuhkan dalam Xenopus laevis boleh digunakan secara langsung untuk Xenopus tropicalis. Pada masa ini, penjujukan genom Xenopus tropicalis pada asasnya telah siap dan dijangka menjadi model penting untuk penyelidikan genetik pembangunan. Walau bagaimanapun, telur dan embrio Afrika Xenopus bersaiz besar dan lebih mudah dikendalikan, dan ia masih tidak boleh digantikan oleh Xenopus tropika.

Di luar makmal, terdapat juga strain albino Xenopus laevis - "katak emas", dengan dewasa kuning dan mata merah. Orang ramai memberikannya simbol kekayaan dan keamanan, dan ia secara beransur-ansur menjadi haiwan peliharaan yang orang tidak boleh meletakkannya di dalam akuarium. ■

Mengenai pengarang

Mao Bingyu ialah seorang penyelidik di Institut Zoologi Kunming, Akademi Sains China, dan ketua Kumpulan Saintis Muda Max Planck China-Jerman. Penyelidikannya memberi tumpuan kepada mekanisme molekul pembangunan sistem saraf vertebrata.

(Editor yang bertanggungjawab: Sang Xinhua)

[Kapsyen Gambar]

Xenopus laevis yang diterangkan oleh Dudin (1802) dengan betul menggambarkan mata dan garis sisi Xenopus, tetapi tidak melukis ciri kuku dan jaring anggota belakangnya.

Berudu berkepala dua dihasilkan dalam keadaan eksperimen

Embrio Xenopus laevis (dibesarkan 20 kali ganda)

Albino African Xenopus