青蛙的科研之旅

非洲爪蛙

大家好，我是一隻熱愛科研的青蛙。我的中文名是非洲爪蛙（曾用名非洲爪蟾），英文名South African clawed toad，拉丁名是Xenopus laevis。在受到科學家關注之前，我的祖輩主要生活在非洲撒哈拉沙漠以南地區，這也是我們名字的由來。我們在環境領域的出鏡率不高，很多朋友不認識我，但是在發育生物學領域我可是無人不知的模式生物！在科技如此發達的今天，讓我坐上時光機穿梭回到19-20世紀，帶領大家回顧我的科研之旅。

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從非洲沼澤地進入歐洲實驗室

最初，我們生活在非洲撒哈拉以南的沼澤地、池塘或者河流中。時間定格到1802年，在一個浪漫的城市（法國巴黎）的自然歷史博物館中，一位文質彬彬的博物學家對著我們的標本觀察了很長一段時間，他就是Daudin。他第一次向世人詳細描述了非洲爪蛙的形態，為了紀念他，現在我們的名字後面常常綴有他的名字。匆匆一瞥之後，時光機把我帶到十九世紀的大英帝國，我看到博物館和動物園的研究人員正在對我們的身體結構和分類進行研究。這些研究，打開了我們進入科學殿堂的大門。二十世紀三十年代，英國的HogBen發現懷孕的哺乳動物尿液中的人絨毛膜促性腺激素能夠促使雌性非洲爪蛙排卵，用於早期妊娠的診斷，於是將我們引進實驗室飼養和繁殖，供醫院使用。就這樣，科研人員將我們從非洲沼澤地運送到歐洲實驗室和醫院，開啟正式的科研旅程。

圖1發表在1935年Nature上的文章截圖

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生物學領域的科研之旅

妊娠測試實驗表明，通過注射激素可以隨時誘導非洲爪蛙產卵，不受季節限制。這一發現為我們後來的科研之旅鋪平了道路。我們的卵細胞非常大，在體外進行受精和胚胎髮育，易於觀察和操作，彌補了哺乳動物子宮內發育不宜觀察的不足。從二十世紀五十年代開始，我們逐漸成為發育生物學研究的模式動物。1956年，荷蘭發育生物學家Nieuwkoop和Faber合作發表了非洲爪蛙的發育圖譜，規定了我們的「年齡」及每個年齡對應的形態特徵，他們為推動我們在科研中的應用做出了重要貢獻。發育生物學家利用我們的受精卵和胚胎開始了對脊椎動物發育機制的研究，如對胚胎髮育組織者的研究，細胞核移植的研究，微重力環境下胚胎的發育，克隆動物等等。實際上關於動物早期發育的知識絕大部分來自我們的貢獻。除了發育生物學，我們在細胞生物學領域也表現的遊刃有餘。科學家們利用卵母細胞外源表達特定蛋白，研究目的蛋白的生物學功能。除了構建卵母細胞表達系統，我們的卵母細胞也是研究細胞分裂和細胞周期調控的重要材料。隨著分子生物學的發展，我們在生物學研究中的地位變得更加突出，1988年我們被美國國立健康研究院（NIH）評為基因功能研究的非哺乳動物最佳模型系統之一。為滿足眾多研究人員的需求，一些國家相應建起大的培育中心，像美國的Xenopus Express, Xenopus 1, NASCO；中國的生態環境研究中心正在建立培育中心。

圖2 自由游泳的非洲爪蛙蝌蚪

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生態毒理學領域的科研之旅

乘著時光機，我來到了二十世紀末，在一個年輕的科研領域啟航。隨著環境問題的日益突出和人類對其的重視，我們逐漸引起了生態毒理學研究者的興趣，目前有越來越多的實驗室將我們引入生態毒理學的研究。作為兩棲動物的成員之一，我們一直被人類稱為環境污染的「前哨動物」，這是因為我們對環境中的污染物非常敏感。在北美出現大量畸形青蛙的背景下，1997年美國NIH組織了一個專門討論畸形蛙所暗示的環境問題的會議，討論將我們引入生態毒理學領域中。在此之前，美國已經建立了一套以受精卵為受試材料的標準方法（FETAX），評價化學物質的早期發育毒性。

圖3胚胎髮育毒性實驗

時光機帶我來到Kloas教授的實驗室，這是最早用非洲爪蛙研究內分泌干擾物的單位之一。我們的性染色體是雌性異型配子，自然條件下擁有ZW性染色體的受精卵發育成雌性，擁有ZZ性染色體的受精卵發育成雄性。然而，環境中的雌激素干擾基因雄性的性別決定和性腺分化，導致性腺異常，出現雌雄同體，甚至性別逆轉為雌性。利用這一特點，我們曾用於檢測環境中的多氯聯苯（PCBs）、雙酚A、任基酚等污染物的雌激素效應。美國Hayes教授也是較早用非洲爪蛙開展內分泌干擾研究的知名學者，他的團隊發現阿特拉津的雌激素效應引起了熱烈的討論。我們在中國生態毒理學領域的應用，起步較晚，目前中國科學院生態環境研究中心的研究團隊確定了雌性化發生的關鍵窗口期，並開展了深入探索雌性化分子機制的研究。

我們的變態發育直接由甲狀腺激素（TH）調控。科研人員利用我們的變態發育可以反映出TH系統受到干擾的特點，篩查和評價環境中可疑的具有甲狀腺激素干擾作用的污染物。美國科學家建議使用我們的尾吸收實驗評價環境污染物的甲狀腺干擾作用。美國的Yunbo Shi教授深入開展了腸重塑的發育生物學研究。生態環境研究中心的研究人員利用我們變態發育過程中的尾吸收、腸重塑、腦重塑的特徵，建立了標準評價方法，系統評價了雙酚A及其替代品的甲狀腺干擾作用。

圖4 非洲爪蛙腸重塑過程

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回到現代，展望未來

短短几分鐘，和大家一起回顧了我們非洲爪蛙家族在兩個多世紀的科研之旅：從非洲沼澤地到歐洲醫院，再到世界各地的實驗室；從簡單的形態學描述到複雜的分子機制研究；從檢測妊娠到檢測環境中的內分泌干擾物。作為實驗動物，我希望未來可以更多的被用於有益於環境健康和生態保護的科學研究中。

參考文獻：

[1]秦占芬,徐曉白.非洲爪蟾在生態毒理學研究中的應用:概述和實驗動物質量控制[J].科學通報, 2006, 51(8):873-878.

[2]毛炳宇.非洲爪蟾:模式生物里的青蛙王子[J].生命世界, 2008(5):60-63.

圓圓

環境科學博士，碩博連讀畢業於中國科學院生態環境研究中心，現繼續在本研究所做博士後。研究興趣是環境內分泌干擾物對兩棲動物的生殖和發育毒性及其分子機制。

作者簡介

作者：圓圓

校稿：柴胡半夏蘇

編輯：李立平

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