鄭靜銘，朱欣悅，邵勇奇

（浙江大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058）

由于生物進(jìn)化的保守性以及生物界中遺傳密碼的通用性，生命發(fā)育的基本模式呈現(xiàn)很大程度上的同一性，為利用進(jìn)化程度相對(duì)較低的物種研究進(jìn)化程度相對(duì)較高的物種的規(guī)律提供了可能，這些相對(duì)簡(jiǎn)單且受到廣泛研究的生物統(tǒng)稱為模式生物（model organism）［1］。常見(jiàn)的模式生物包括擬南芥（Arabidopsis thaliana）、線蟲(chóng)（Caenorhabditis elegans）、果蠅（Drosophila）、斑馬魚(yú)（Danio rerio）、小鼠（Mus musculus）等。

家蠶（Bombyx mori）屬昆蟲(chóng)綱鱗翅目蠶蛾科，是重要的經(jīng)濟(jì)昆蟲(chóng)之一。家蠶不僅是絲綢原料的主要來(lái)源，作為模式生物也有其特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于抗菌藥物篩選、人類疾病模型、毒理學(xué)與環(huán)境監(jiān)測(cè)、表觀遺傳學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究（圖1）。

圖1 家蠶作為模式生物的應(yīng)用Fig. 1 Application of silkworm as a model organism

1 家蠶的特點(diǎn)及其作為模式生物的優(yōu)勢(shì)

家蠶在生物特性上具有諸多優(yōu)勢(shì)，在模式生物的篩選過(guò)程中備受青睞。家蠶生命周期短，繁殖能力強(qiáng)，專食桑葉，飼養(yǎng)成本低；幼蟲(chóng)期長(zhǎng)，4～5齡期幼蟲(chóng)大小適中，可進(jìn)行口服和靜脈注射，便于完成給藥、建模、活體觀察、解剖等操作，實(shí)現(xiàn)較好的結(jié)果呈現(xiàn)。家蠶有28 對(duì)染色體，遺傳性狀豐富，遺傳背景相對(duì)簡(jiǎn)單，其情感模塊不強(qiáng)，性情溫和，無(wú)社會(huì)性，動(dòng)物倫理限制性小。

2010年，Xiang等［2］繪制了世界上第一張具有單堿基分辨率的昆蟲(chóng)甲基化圖譜——家蠶絲腺甲基化圖譜，為昆蟲(chóng)表觀遺傳學(xué)的研究提供了重要資料。2022年10月，Tong 等［3］完成家蠶大規(guī)模種質(zhì)資源基因組解析，首次繪就家蠶超級(jí)泛基因組圖譜，助力深化功能基因組研究和推進(jìn)家蠶模式化進(jìn)程。隨著家蠶基因組計(jì)劃的完成，基因組數(shù)據(jù)庫(kù)和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的逐步建立和不斷完善，人們對(duì)于家蠶生物學(xué)的了解愈發(fā)深入，越來(lái)越多的學(xué)者選擇以家蠶為模式系統(tǒng)進(jìn)行各種研究。

2 家蠶作為模式生物的研究領(lǐng)域

2.1 病原微生物感染模型及抗菌藥物篩選

動(dòng)物感染實(shí)驗(yàn)是闡明傳染病中宿主-病原體相互作用的必要條件，除了常見(jiàn)的哺乳動(dòng)物外，近年來(lái)部分無(wú)脊椎動(dòng)物也被用作感染性疾病的模型構(gòu)建，如果蠅［4］、線蟲(chóng)［5］等。Arvanitis 等［6］認(rèn)為，無(wú)脊椎動(dòng)物和哺乳動(dòng)物在先天性免疫應(yīng)答的部分領(lǐng)域中存在進(jìn)化保守性，利用這些簡(jiǎn)單的無(wú)脊椎寄主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是一種快速有效的篩選方法。

家蠶對(duì)部分人類病原微生物高度敏感，可用于構(gòu)建病原微生物感染模型以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模體內(nèi)篩選，確定病原體毒力因子以及抑制病原體毒力的宿主因子。2002年，Kaito等［7］將金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）注入五齡蠶血淋巴中，90%以上的蠶在2天內(nèi)死亡，免疫染色分析顯示金黃色葡萄球菌在病蠶的中腸表面增殖。后續(xù)藥物治療的結(jié)果表明，家蠶可以替代哺乳動(dòng)物進(jìn)行細(xì)菌性致病實(shí)驗(yàn)，用于評(píng)估抗生素對(duì)人類致病菌感染的影響。除了病原細(xì)菌外，部分人類病原真菌也能感染家蠶［8］。目前已經(jīng)建立白念珠菌（Candida albicans）［9］、新型隱球菌（Cryptococcus neoformans）［10］等酵母型真菌感染家蠶模型，以及煙曲霉菌（Aspergillus fumigatus）［11］、犬小孢子菌（Microsporum canis）［12］等絲狀真菌感染家蠶模型。

2.2 人類遺傳疾病模型及藥物篩選

家蠶遺傳資源豐富，存在大量突變。由于家蠶基因與人類部分遺傳疾病基因高度同源，某些家蠶疾病與人類遺傳病病理相同或相似，故可以通過(guò)多種方式建立家蠶的人類疾病模型。

Tanaka 等［13］利用家蠶與人類相似的嘌呤代謝，施用痛風(fēng)藥物以清除沉積在家蠶體表的尿酸，通過(guò)家蠶皮膚顏色的變化來(lái)評(píng)估藥物療效。苯丙酮尿癥（Phenylketonuria，PKU）是由苯丙氨酸羥化酶基因（PAH）突變或四氫生物蝶呤（Tetrahydrobipterin，BH4）合成途徑缺陷引起的先天性代謝疾病，Tong等［14］通過(guò)定位克隆發(fā)現(xiàn)鋁蠶的發(fā)病機(jī)制與人類苯丙酮尿癥類似，兩者在藥物代謝特征以及生物合成相關(guān)基因通路方面具有高度相似性，由此論證鋁蠶突變體作為BH4缺乏型PKU 動(dòng)物模型的可行性。Matsumoto 等［15］通過(guò)飼喂高糖人工飼料的方式獲得高血糖家蠶，借助此模型篩選出了一株能抑制腸道攝取葡萄糖的糞腸球菌Enterococcus faecalisYM0831，且在人體臨床試驗(yàn)中同樣取得良好的抑制血糖升高效果。Zhu 等［16］通過(guò)添食6-羥基多巴胺（6-OHDA）誘導(dǎo)家蠶出現(xiàn)帕金森樣癥狀，進(jìn)行了帕金森病家蠶模型的蛋白質(zhì)組學(xué)和靶向代謝組學(xué)研究，幫助理解該病的分子和細(xì)胞機(jī)制。

家蠶的各種突變體系為人類遺傳疾病的研究提供了良好的基礎(chǔ)，相關(guān)病理機(jī)制的研究正在持續(xù)推進(jìn)中。

2.3 毒理學(xué)與環(huán)境監(jiān)測(cè)

在環(huán)境與材料領(lǐng)域，利用家蠶對(duì)環(huán)境因子的高敏感性，可以進(jìn)行重金屬、農(nóng)藥、大氣顆粒物、納米材料等各種對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響的有毒物質(zhì)的監(jiān)測(cè)和研究，通過(guò)觀察家蠶的存活率、生長(zhǎng)狀況、行為表現(xiàn)、基因表達(dá)譜等來(lái)分析毒物的毒性和機(jī)制。Abdelli 等［17］認(rèn)為，家蠶飼養(yǎng)成本低、倫理限制性小、易于注射，是極具潛力的毒理學(xué)研究模型。

作為研究減少農(nóng)藥對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物如有益昆蟲(chóng)的不良影響的動(dòng)物模型，家蠶在促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有重要意義。Phugare 等［18］以家蠶為模式生物，研究了肺炎克雷伯菌株（Klebsiella pneumoniae strain，BCH1）對(duì)新煙堿農(nóng)藥吡蟲(chóng)啉的降解作用，發(fā)現(xiàn)在30℃靜態(tài)條件下，7 d 內(nèi)吡蟲(chóng)啉降解率高達(dá)78%。Chen 等［19］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蠶幼蟲(chóng)與窄養(yǎng)單胞菌（Stenotrophomonas）單關(guān)聯(lián)時(shí)其腸道中必需氨基酸水平較高，此種關(guān)鍵的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)對(duì)于宿主抵抗有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑的毒性有益，該成果亦為研究復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng)中宿主-腸道細(xì)菌的互作提供了范式。

隨著納米材料的大量應(yīng)用，納米顆粒（Nanoparticles，NPs）將不可避免地進(jìn)入到環(huán)境中，從而通過(guò)多種暴露途徑對(duì)人類健康產(chǎn)生潛在風(fēng)險(xiǎn)，不同層面的納米材料-生物相互作用始終是人們關(guān)心的內(nèi)容。Ma 等［20］以家蠶為模式生物，探究暴露在不同質(zhì)量濃度的氧化鎂納米顆粒環(huán)境下對(duì)家蠶的亞慢性毒性影響，證明了氧化鎂納米顆粒主要的滲透機(jī)制為主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，其能被細(xì)胞吸附。Muhammad等［21］發(fā)現(xiàn)在氧化銅和氧化鋅納米顆粒的添食暴露下，家蠶的體質(zhì)量、存活率、產(chǎn)繭量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，家蠶的營(yíng)養(yǎng)代謝受損、腸道菌群失調(diào)，為評(píng)估環(huán)境中的NPs 引起的生物學(xué)效應(yīng)提供了重要參考。

在全球生物圈中，微塑料（MPs）同樣無(wú)處不在，然而有關(guān)其潛在暴露危害的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還嚴(yán)重缺乏，亟需填補(bǔ)，以便更好地了解微塑料對(duì)包括人在內(nèi)的生物的影響［22］。Muhammad 等［23］利用家蠶評(píng)估急性暴露于聚苯乙烯微塑料和納米塑料后生物體在生理、分子和生化水平上的變化，深化了不同粒徑大小的微塑料對(duì)生物體的潛在毒理學(xué)效應(yīng)的研究。

2.4 病蟲(chóng)害防治

在諸多新興的生物農(nóng)藥中，昆蟲(chóng)病毒殺蟲(chóng)劑以其專一性、長(zhǎng)效性、安全性等特點(diǎn)頗受青睞，在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用比例不斷上升。家蠶病毒感染模型，尤其是核型多角體病毒（Bombyx morinuclear polyhedrosis virus，BmNPV）感染模型在病蟲(chóng)害防治中日益受到關(guān)注，如篩選出溶解在丙酮中的氟蟲(chóng)脲作為防治農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)的輔助物［24］。Cheng等［25］定位并鑒定了12個(gè)參與BmNPV感染的蛋白質(zhì)靶點(diǎn)，分析其在病毒感染中的潛在作用，為研究家蠶與BmNPV相互作用的分子機(jī)制提供了新的方向。GP64是介導(dǎo)BmNPV感染的關(guān)鍵膜融合蛋白，Hao 等［26］進(jìn)一步闡明其保留信號(hào)肽的作用機(jī)制，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)破壞信號(hào)肽中的α 螺旋（α-helix）結(jié)構(gòu)可以使GP64失去細(xì)胞膜定位的能力，進(jìn)而降低病毒感染性。

2.5 表觀遺傳學(xué)

DNA甲基化是最早被發(fā)現(xiàn)、研究最深入的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制之一，通過(guò)影響基因組防御、基因調(diào)控等方式在多種生物過(guò)程中發(fā)揮重要作用。相對(duì)于動(dòng)植物，昆蟲(chóng)甲基化水平較低，其功能也始終存在爭(zhēng)議。

DNA 甲基化在昆蟲(chóng)器官或組織發(fā)育過(guò)程中的作用和調(diào)控機(jī)制尚不清楚，Xu等［27］通過(guò)抑制轉(zhuǎn)錄因子Bmara介導(dǎo)的幾丁質(zhì)酶表達(dá)來(lái)抑制家蠶幾丁質(zhì)降解、促進(jìn)翅膀發(fā)育，證明DNA 甲基化在家蠶翅膀發(fā)育中起著重要作用，填補(bǔ)該領(lǐng)域的部分空白?；诜夯蚪M系統(tǒng)分析，Lu等［28］揭示了家蠶形成綠繭及繭色演化的遺傳機(jī)制，提出了繭色多樣化的形成機(jī)制和從野桑蠶到家蠶的繭色演化模式，揭示了人工選擇對(duì)表型性狀演化的重要作用。

3 小結(jié)

家蠶已被作為動(dòng)物模型應(yīng)用于生命科學(xué)研究的多個(gè)領(lǐng)域，已成為一種重要的模式生物，極大地促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)展。然而，家蠶模型在很多領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段，需要進(jìn)行更多的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、臨床試驗(yàn)以獲得豐富的數(shù)據(jù)，特別是在人類遺傳疾病領(lǐng)域。家蠶雖然不能完全取代哺乳動(dòng)物，但起著非常重要的補(bǔ)充作用，家蠶作為模式生物前景光明。