斑馬魚_人類疾病研究的理想模式動物

1、CHEMISTRYOFLIFE2008,28(3文章編號:1000-1336(200803-0260-04收稿日期:2008-02-25斑馬魚,人類疾病研究的理想模式動物全珊珊1,2吳新榮2(1華南理工大學輕工與食品學院,廣州510641;2廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院,廣州510010摘要:斑馬魚作為一種理想的模式動物已有廣泛的應用,而其基因組測序工程的完成和斑馬魚的基因與人類基因高度的相似性,使得斑馬魚在人類疾病的研究中體現(xiàn)著重要的價值。本文從斑馬魚在幾種人類重大疾病研究中的運用的角度綜述了斑馬魚作為一種重要的模式動物對人類疾病研究的貢獻。關鍵詞:斑馬魚;人類疾病模型;模式動物中圖分類號:Q 75斑

2、馬魚(Daniorerio 又名藍條魚、花條魚、斑馬擔尼魚等,是一種熱帶觀賞魚,屬鯉科短擔尼爾屬,原產于印度、孟加拉國。斑馬魚成魚體型較小,體長46厘米,胚胎透明且體外發(fā)育,易于活體觀察;生長發(fā)育快,受精后24小時主要器官原基基本形成,便于研究組織器官的發(fā)育和功能;23個月可長成成魚,繁殖能力強且易于飼養(yǎng),雌魚每周可產卵200300枚,可快速獲得大量胚胎。斑馬魚的特點使其在20世紀70年代開始受到科學家們的關注,并成為最重要的模式脊椎動物之一。隨著斑馬魚基因組測序工程的完成,發(fā)現(xiàn)斑馬魚的基因與人類的基因保守度達到85%,使得斑馬魚成為一種研究人類疾病的模式動物越來越受到人們的關注。同時,斑馬魚

3、胚胎發(fā)育遺傳學技術的逐步建立和完善也為斑馬魚的人類疾病模型的建立和分析提供了良好的基礎。本文就斑馬魚在人類疾病研究中的應用作一綜述。1.運用斑馬魚研究人類疾病的方法斑馬魚作為人類疾病模式動物的研究,主要從建立疾病模型和利用疾病模型進行機制研究、藥物篩選等幾個方面進行。建立疾病模型常用的方法是正向遺傳法和反向遺傳法。反向遺傳法是從基因入手,研究斑馬魚體內與人類疾病相關基因的同源基因,通過顯微注射反義探針等方法誘變該基因,并研究其突變體表型與人類疾病癥狀的相似性。而正向遺傳法則開始于表型篩選,通過非特異性誘變的方法得到大量的突變體,研究出現(xiàn)特定表型的突變基因,分析該基因的序列、蛋白產物及其功能。同

4、時尋找人類相應基因,借此發(fā)現(xiàn)與疾病相關的人類基因或與疾病對應的基因缺陷。在人類和斑馬魚中高度保守的同源基因突變后若導致生物體出現(xiàn)相似表型,則可將該基因的突變體納入研究相應人類疾病模型的范圍內。已建立的疾病模型則可用于研究該疾病發(fā)生的原因和發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的并發(fā)癥。同時,利用組織被特異性標記的轉基因斑馬魚篩選影響其組織器官發(fā)育的外源性物質也是近年逐漸升溫的研究方向。2.斑馬魚在人類重大疾病模型中的應用2.1癌癥斑馬魚能像人類一樣患癌癥且具有穩(wěn)定遺傳性,遺傳背景相對簡單,其體內的致癌基因、腫瘤抑制子等與腫瘤相關基因也與人類有高度的保守性。通過誘變基因或細胞移植的方法可使斑馬魚體內產生或移入具有高度轉移

5、性的腫瘤細胞,并使斑馬魚罹患癌癥,且患有癌癥的斑馬魚與同類正常魚雜交產生的后代也具有癌癥的表型1。目前,已經建立了白血病、黑色素瘤、橫紋肌肉瘤,淋巴肉瘤,肝癌,乳腺癌等疾病的斑馬魚模型,斑馬魚體內和人體內的腫瘤在組織學上的相似性使得這些腫瘤模型在其相應人類疾病的研究中有著重要的意義。熱CHEMISTRYOFLIFE2008,28(3擊處理成魚的特定組織、細胞誘發(fā)腫瘤的方法和斑馬魚組織特異性標記熒光技術的逐步完善為建立和研究某些特定種類腫瘤的斑馬魚模型提供了良好的技術支持。除了建立實體瘤斑馬魚模型,利用斑馬魚研究腫瘤的血管生成也是倍受關注的研究方向,原位雜交技術和微血管造影技術等方法的建立將該研

6、究方向引入了一個更加成熟的發(fā)展階段。運用血管被特異性標記熒光蛋白的斑馬魚胚胎大規(guī)模篩選抑制節(jié)間血管或改變其形態(tài)的小分子的研究已初見成效,經研究發(fā)現(xiàn):免疫抑制劑麥考酚酸劑量依賴性抑制flk-GFP轉基因斑馬魚節(jié)間血管的生長2。2.2肌肉萎縮癥斑馬魚的肌肉結構和發(fā)育過程與人類相似,且其體內存在許多與人類肌肉相關的基因并具有高度的保守性。斑馬魚的一些抗肌萎縮蛋白基因及其蛋白產物都與人類有高度的相似性,體現(xiàn)了其肌肉組織結構可能具有功能保守性,也將研究者的目光聚焦到利用斑馬魚體內的基因和蛋白研究肌肉萎縮癥的領域中。Hirata等進行表型篩選時發(fā)現(xiàn)突變體accordion 的肌肉松弛紊亂,并找到了肌肉功能

7、缺陷的原因: SERCA1突變,在進一步研究中發(fā)現(xiàn)人類Brody疾病和突變體accordion之間具有相似表型且其對應基因的突變也非常相似,利用accordion突變體建立Brody疾病斑馬魚模型指日可待3。同樣引起研究者注意的還有突變體sapje,該突變體體內的D M D基因斷裂,而其同源基因在人體內突變會導致因該基因編碼的抗肌萎縮蛋白減少而造成的迪謝內肌營養(yǎng)不良癥,這一發(fā)現(xiàn)有利于進一步了解人類迪謝內肌營養(yǎng)不良癥的病因及癥狀,并利用該突變體建立研究模型4。2.3神經系統(tǒng)疾病斑馬魚在神經系統(tǒng)發(fā)育及功能疾病的研究中的廣泛應用源于其與人類非常相似的神經系統(tǒng),許多人類神經系統(tǒng)疾病相關的基因都在斑馬魚

8、中高度保守。研究人員在斑馬魚體內發(fā)現(xiàn)了與神經嵴疾病相關的P h o x2b基因和對帕金森疾病有影響的U C H-L1基因,且與其人類同源基因具有高度保守性5,6,該發(fā)現(xiàn)為神經嵴疾病和帕金森疾病的研究開辟了新的途徑。髓鞘軸突在神經沖動傳導中有著重要的作用,異常發(fā)育的髓鞘軸突會引起一系列的神經疾病。P o g o d a等通過隨機誘變髓鞘軸突發(fā)育相關的基因,得到十種在不同階段影響其發(fā)育的突變體,通過這些突變體可以找到髓鞘軸突各個發(fā)育階段的重要影響因子,而其中一些表型與人類疾病癥狀相似的突變體則可成為相應神經疾病研究的突破口7。2.4心臟疾病斑馬魚的胎心類似于人胚胎的心臟,且其胚胎和魚苗透明,運用分

9、子標記物如綠色熒光蛋白可對心臟方便快速地進行活體直接觀察。而斑馬魚胚胎在血液循環(huán)不正常的情況下仍能存活一段時間,因此可能得到心臟發(fā)育或功能缺陷突變體。大規(guī)模的篩選得到一些表型為心臟收縮缺陷、節(jié)率不正常、心臟大小及形態(tài)不正常的斑馬魚突變體,這些突變體為相應心臟疾病的研究提供了良好的平臺。突變體heartstrings和人類的霍-奧二氏綜合癥具有相似表型,且該突變體為霍-奧二氏綜合癥相關基因的同源基因突變所產生8,該突變體有望成為開啟治療霍-奧二氏綜合癥大門的鑰匙。物理學特性也是人類疾病研究的重要考察點,利用斑馬魚與人類有著極其相似的心臟電學特性這一特點,研究人員通過對kcnh2突變體心臟的分子、

10、細胞、電生理學特性進行研究,發(fā)現(xiàn)該突變體對人類心律不齊的研究有著重要的參考價值9。2.5先天性缺陷疾病斑馬魚和人的發(fā)育機制相似,都是由單細胞發(fā)育而成的,其中胚胎發(fā)育是組織器官形成的重要階段?？赏ㄟ^斑馬魚的胚胎發(fā)育過程研究人類胚胎發(fā)育過程中的不正常狀態(tài),精確分析發(fā)生胚胎畸形甚至死亡或引起先天性疾病的根本原因。中胚層是發(fā)育成肌肉、骨骼、循環(huán)系統(tǒng)等組織器官的細胞層,研究者發(fā)現(xiàn)對斑馬魚中胚層的形成有重要影響的Dpr2基因在魚和人體內保守10,這一發(fā)現(xiàn)為揭示人的一些組織器官出生缺陷之謎提供了新思路。因斑馬魚和人類基因有高度的保守性,通過對突變體基因、蛋白產物和表型的研究建立先天性缺陷疾病模型也是卓有成效

11、的途徑。突變位點和突變效應都類似于人先天性主動脈狹窄缺陷的斑馬魚gridlock突變體在近端主動脈閉塞的研究中發(fā)揮了重要的作用11。另外,腦部先天性畸形的起因也有可能在斑馬魚bap28突變體中找到答案,該突變體表現(xiàn)為腦部先天畸形,且其相關基因的蛋白產物與人類蛋白BAP28相類似12。CHEMISTRYOFLIFE2008,28(32.6眼科疾病通過眼睛過小或皮膚上的色素沉積可以方便快速地篩選出具有視覺缺陷的斑馬魚,這一特點,有利于快速發(fā)現(xiàn)和篩選具有眼科疾病表型的斑馬魚突變體。Allende等經插入突變,發(fā)現(xiàn)Dye突變體表現(xiàn)為眼睛壞死,這一發(fā)現(xiàn)為研究該基因及其蛋白產物同源物在人體內異常所引發(fā)的疾

12、病提供了參考13。色素性視網膜炎是一種嚴重影響人們視力的疾病,而在西方國家,年齡相關性黃斑變性疾病(AMD是導致老年人失明的首要原因。最近科學家發(fā)現(xiàn), g n n突變體可同時用于研究這兩種視網膜疾病的發(fā)病機制,該突變體的眼圓錐細胞早期發(fā)育形態(tài)與人類A M D的錐形細胞營養(yǎng)失調相似,而隨后的分化同人類色素性視網膜炎的RPE改變相類似14,該研究也表明這兩種疾病的發(fā)病機制可能具有某種內在聯(lián)系甚至可能通過該突變體找到影響視網膜的重要因子。2.7造血系統(tǒng)疾病斑馬魚的造血系統(tǒng)包括紅系、髓系、淋系和巨核系,且其相關的轉錄因子同人類有高度的同源性,這些特點使斑馬魚在造血系統(tǒng)研究中有著廣泛的應用。而其早期出現(xiàn)

13、血液循環(huán)時胚胎透明,可用顯微鏡直接觀察循環(huán)細胞的數(shù)量和形態(tài),這一優(yōu)勢極大地方便了突變體的篩選15。目前對紅系造血疾病尤其是貧血癥的研究比較深入,已經建立不少疾病模型,如:地中海貧血模型、由ALAS-2基因突變導致的先天性鐵粒幼紅細胞性貧血模型等。其中人類肝紅細胞生成型卟啉癥斑馬魚模型的發(fā)現(xiàn)源于一次大規(guī)模的化學誘變篩選,這次篩選中得到的突變體y q e表型與人類卟啉癥癥狀相似,而引起該表型的urod基因突變若發(fā)生在人體內則可導致患者因尿卟啉原脫羧酶減少而罹患肝紅細胞生成型卟啉癥15。白血病是一種嚴重威脅人類健康的造血系統(tǒng)疾病,該疾病的斑馬魚模型是由Langenau等通過顯微注射將鼠原癌基因c-m

14、yc移入斑馬魚體內的方式初步建立1,隨后該實驗室又通過熱擊處理Cre/lox調節(jié)的斑馬魚得到了患白血病的斑馬魚,有效地改進了白血病模型。低色素性貧血模型可能利用Griffiths等發(fā)現(xiàn)的一個新基因有效建立,這個編碼鐵轉運蛋白質的基因在斑馬魚體內突變后引起低色素性貧血,而其同源基因在人體內發(fā)生突變后出現(xiàn)相似的表型16。Titus等在斑馬魚體內的新發(fā)現(xiàn)又有望建立范可尼貧血疾病模型,研究結果顯示:斑馬魚中與范可尼貧血癥有關的九個基因不僅序列與人類的基本一致,而且其蛋白結構也有高度保守性17。2.8免疫疾病模型和感染疾病模型斑馬魚和人類一樣,也具有先天性免疫和適應性免疫兩種免疫系統(tǒng),并具有較完整的特異

15、性免疫系統(tǒng),體內的T淋巴細胞和B淋巴細胞具有免疫活性,非特異性免疫系統(tǒng)也呈現(xiàn)出與人類的相似性,同時保留了T L R信號通道,這些都表明斑馬魚可作為一種理想的免疫疾病研究模式動物。斑馬魚與人類免疫系統(tǒng)的相似性使它在感染模型中有著良好的應用前景,往成魚體內注射細菌和胚胎浸沒感染的方法均可使斑馬魚感染細菌,有效建立相應的細菌發(fā)病機理研究模型18,19。海分枝桿菌感染的斑馬魚體內的肺結核肉芽腫和人類一樣出現(xiàn)干酪樣壞死,該模型可能在肺結核研究中發(fā)揮重要作用20。2.9其他疾病模型已鑒定出一些發(fā)生多囊腎的突變體,其中doublebubble與人的常染色體顯性多囊腎缺陷(ADPKD相似,該突變體可用于研究A

16、DPKD形成的原因。由腎異常引發(fā)的視網膜退化綜合癥的疑問可能在突變體fleer和elipsa中得到解答15。3.結論與展望綜上所述,斑馬魚在與人類疾病相關的基因及其功能和人類疾病模型的研究中已顯示出重要的意義,但人類疾病的研究應以安全有效地治愈疾病為最終目標。目前,利用斑馬魚作為整體動物模型進行高通量的篩選已成為斑馬魚研究的熱點之一,若運用斑馬魚建立的人類疾病模型進行藥物篩選并跟蹤考察藥物在斑馬魚模型體內的吸收,代謝及分布等情況,將會為人類疾病的研究提供更多具有臨床應用價值的有效信息。參考文獻1LangenauDMetal.Science,2003,299(5608:887-8902WuXet

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