斑马鱼_人类疾病研究的理想模式动物

1、CHEMISTRYOFLIFE2008,28(3文章编号:1000-1336(200803-0260-04收稿日期:2008-02-25斑马鱼,人类疾病研究的理想模式动物全珊珊1,2吴新荣2(1华南理工大学轻工与食品学院,广州510641;2广州军区广州总医院,广州510010摘要:斑马鱼作为一种理想的模式动物已有广泛的应用,而其基因组测序工程的完成和斑马鱼的基因与人类基因高度的相似性,使得斑马鱼在人类疾病的研究中体现着重要的价值。本文从斑马鱼在几种人类重大疾病研究中的运用的角度综述了斑马鱼作为一种重要的模式动物对人类疾病研究的贡献。关键词:斑马鱼;人类疾病模型;模式动物中图分类号:Q 75斑

2、马鱼(Daniorerio 又名蓝条鱼、花条鱼、斑马担尼鱼等,是一种热带观赏鱼,属鲤科短担尼尔属,原产于印度、孟加拉国。斑马鱼成鱼体型较小,体长46厘米,胚胎透明且体外发育,易于活体观察;生长发育快,受精后24小时主要器官原基基本形成,便于研究组织器官的发育和功能;23个月可长成成鱼,繁殖能力强且易于饲养,雌鱼每周可产卵200300枚,可快速获得大量胚胎。斑马鱼的特点使其在20世纪70年代开始受到科学家们的关注,并成为最重要的模式脊椎动物之一。随着斑马鱼基因组测序工程的完成,发现斑马鱼的基因与人类的基因保守度达到85%,使得斑马鱼成为一种研究人类疾病的模式动物越来越受到人们的关注。同时,斑马鱼

3、胚胎发育遗传学技术的逐步建立和完善也为斑马鱼的人类疾病模型的建立和分析提供了良好的基础。本文就斑马鱼在人类疾病研究中的应用作一综述。1.运用斑马鱼研究人类疾病的方法斑马鱼作为人类疾病模式动物的研究,主要从建立疾病模型和利用疾病模型进行机制研究、药物筛选等几个方面进行。建立疾病模型常用的方法是正向遗传法和反向遗传法。反向遗传法是从基因入手,研究斑马鱼体内与人类疾病相关基因的同源基因,通过显微注射反义探针等方法诱变该基因,并研究其突变体表型与人类疾病症状的相似性。而正向遗传法则开始于表型筛选,通过非特异性诱变的方法得到大量的突变体,研究出现特定表型的突变基因,分析该基因的序列、蛋白产物及其功能。同

4、时寻找人类相应基因,借此发现与疾病相关的人类基因或与疾病对应的基因缺陷。在人类和斑马鱼中高度保守的同源基因突变后若导致生物体出现相似表型,则可将该基因的突变体纳入研究相应人类疾病模型的范围内。已建立的疾病模型则可用于研究该疾病发生的原因和发现可能出现的并发症。同时,利用组织被特异性标记的转基因斑马鱼筛选影响其组织器官发育的外源性物质也是近年逐渐升温的研究方向。2.斑马鱼在人类重大疾病模型中的应用2.1癌症斑马鱼能像人类一样患癌症且具有稳定遗传性,遗传背景相对简单,其体内的致癌基因、肿瘤抑制子等与肿瘤相关基因也与人类有高度的保守性。通过诱变基因或细胞移植的方法可使斑马鱼体内产生或移入具有高度转移

5、性的肿瘤细胞,并使斑马鱼罹患癌症,且患有癌症的斑马鱼与同类正常鱼杂交产生的后代也具有癌症的表型1。目前,已经建立了白血病、黑色素瘤、横纹肌肉瘤,淋巴肉瘤,肝癌,乳腺癌等疾病的斑马鱼模型,斑马鱼体内和人体内的肿瘤在组织学上的相似性使得这些肿瘤模型在其相应人类疾病的研究中有着重要的意义。热CHEMISTRYOFLIFE2008,28(3击处理成鱼的特定组织、细胞诱发肿瘤的方法和斑马鱼组织特异性标记荧光技术的逐步完善为建立和研究某些特定种类肿瘤的斑马鱼模型提供了良好的技术支持。除了建立实体瘤斑马鱼模型,利用斑马鱼研究肿瘤的血管生成也是倍受关注的研究方向,原位杂交技术和微血管造影技术等方法的建立将该研

6、究方向引入了一个更加成熟的发展阶段。运用血管被特异性标记荧光蛋白的斑马鱼胚胎大规模筛选抑制节间血管或改变其形态的小分子的研究已初见成效,经研究发现:免疫抑制剂麦考酚酸剂量依赖性抑制flk-GFP转基因斑马鱼节间血管的生长2。2.2肌肉萎缩症斑马鱼的肌肉结构和发育过程与人类相似,且其体内存在许多与人类肌肉相关的基因并具有高度的保守性。斑马鱼的一些抗肌萎缩蛋白基因及其蛋白产物都与人类有高度的相似性,体现了其肌肉组织结构可能具有功能保守性,也将研究者的目光聚焦到利用斑马鱼体内的基因和蛋白研究肌肉萎缩症的领域中。Hirata等进行表型筛选时发现突变体accordion 的肌肉松弛紊乱,并找到了肌肉功能

7、缺陷的原因: SERCA1突变,在进一步研究中发现人类Brody疾病和突变体accordion之间具有相似表型且其对应基因的突变也非常相似,利用accordion突变体建立Brody疾病斑马鱼模型指日可待3。同样引起研究者注意的还有突变体sapje,该突变体体内的D M D基因断裂,而其同源基因在人体内突变会导致因该基因编码的抗肌萎缩蛋白减少而造成的迪谢内肌营养不良症,这一发现有利于进一步了解人类迪谢内肌营养不良症的病因及症状,并利用该突变体建立研究模型4。2.3神经系统疾病斑马鱼在神经系统发育及功能疾病的研究中的广泛应用源于其与人类非常相似的神经系统,许多人类神经系统疾病相关的基因都在斑马鱼

8、中高度保守。研究人员在斑马鱼体内发现了与神经嵴疾病相关的P h o x2b基因和对帕金森疾病有影响的U C H-L1基因,且与其人类同源基因具有高度保守性5,6,该发现为神经嵴疾病和帕金森疾病的研究开辟了新的途径。髓鞘轴突在神经冲动传导中有着重要的作用,异常发育的髓鞘轴突会引起一系列的神经疾病。P o g o d a等通过随机诱变髓鞘轴突发育相关的基因,得到十种在不同阶段影响其发育的突变体,通过这些突变体可以找到髓鞘轴突各个发育阶段的重要影响因子,而其中一些表型与人类疾病症状相似的突变体则可成为相应神经疾病研究的突破口7。2.4心脏疾病斑马鱼的胎心类似于人胚胎的心脏,且其胚胎和鱼苗透明,运用分

9、子标记物如绿色荧光蛋白可对心脏方便快速地进行活体直接观察。而斑马鱼胚胎在血液循环不正常的情况下仍能存活一段时间,因此可能得到心脏发育或功能缺陷突变体。大规模的筛选得到一些表型为心脏收缩缺陷、节率不正常、心脏大小及形态不正常的斑马鱼突变体,这些突变体为相应心脏疾病的研究提供了良好的平台。突变体heartstrings和人类的霍-奥二氏综合症具有相似表型,且该突变体为霍-奥二氏综合症相关基因的同源基因突变所产生8,该突变体有望成为开启治疗霍-奥二氏综合症大门的钥匙。物理学特性也是人类疾病研究的重要考察点,利用斑马鱼与人类有着极其相似的心脏电学特性这一特点,研究人员通过对kcnh2突变体心脏的分子、

10、细胞、电生理学特性进行研究,发现该突变体对人类心律不齐的研究有着重要的参考价值9。2.5先天性缺陷疾病斑马鱼和人的发育机制相似,都是由单细胞发育而成的,其中胚胎发育是组织器官形成的重要阶段。可通过斑马鱼的胚胎发育过程研究人类胚胎发育过程中的不正常状态,精确分析发生胚胎畸形甚至死亡或引起先天性疾病的根本原因。中胚层是发育成肌肉、骨骼、循环系统等组织器官的细胞层,研究者发现对斑马鱼中胚层的形成有重要影响的Dpr2基因在鱼和人体内保守10,这一发现为揭示人的一些组织器官出生缺陷之谜提供了新思路。因斑马鱼和人类基因有高度的保守性,通过对突变体基因、蛋白产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、的途径。突变位点和突变效应都类似于人先天性主动脉狭窄缺陷的斑马鱼gridlock突变体在近端主动脉闭塞的研究中发挥了重要的作用11。另外,脑部先天性畸形的起因也有可能在斑马鱼bap28突变体中找到答案,该突变体表现为脑部先天畸形,且其相关基因的蛋白产物与人类蛋白BAP28相类似12。CHEMISTRYOFLIFE2008,28(32.6眼科疾病通过眼睛过小或皮肤上的色素沉积可以方便快速地筛选出具有视觉缺陷的斑马鱼,这一特点,有利于快速发现和筛选具有眼科疾病表型的斑马鱼突变体。Allende等经插入突变,发现Dye突变体表现为眼睛坏死,这一发现为研究该基因及其蛋白产物同源物在人体内异常所引发的疾

12、病提供了参考13。色素性视网膜炎是一种严重影响人们视力的疾病,而在西方国家,年龄相关性黄斑变性疾病(AMD是导致老年人失明的首要原因。最近科学家发现, g n n突变体可同时用于研究这两种视网膜疾病的发病机制,该突变体的眼圆锥细胞早期发育形态与人类A M D的锥形细胞营养失调相似,而随后的分化同人类色素性视网膜炎的RPE改变相类似14,该研究也表明这两种疾病的发病机制可能具有某种内在联系甚至可能通过该突变体找到影响视网膜的重要因子。2.7造血系统疾病斑马鱼的造血系统包括红系、髓系、淋系和巨核系,且其相关的转录因子同人类有高度的同源性,这些特点使斑马鱼在造血系统研究中有着广泛的应用。而其早期出现

13、血液循环时胚胎透明,可用显微镜直接观察循环细胞的数量和形态,这一优势极大地方便了突变体的筛选15。目前对红系造血疾病尤其是贫血症的研究比较深入,已经建立不少疾病模型,如:地中海贫血模型、由ALAS-2基因突变导致的先天性铁粒幼红细胞性贫血模型等。其中人类肝红细胞生成型卟啉症斑马鱼模型的发现源于一次大规模的化学诱变筛选,这次筛选中得到的突变体y q e表型与人类卟啉症症状相似,而引起该表型的urod基因突变若发生在人体内则可导致患者因尿卟啉原脱羧酶减少而罹患肝红细胞生成型卟啉症15。白血病是一种严重威胁人类健康的造血系统疾病,该疾病的斑马鱼模型是由Langenau等通过显微注射将鼠原癌基因c-m

14、yc移入斑马鱼体内的方式初步建立1,随后该实验室又通过热击处理Cre/lox调节的斑马鱼得到了患白血病的斑马鱼,有效地改进了白血病模型。低色素性贫血模型可能利用Griffiths等发现的一个新基因有效建立,这个编码铁转运蛋白质的基因在斑马鱼体内突变后引起低色素性贫血,而其同源基因在人体内发生突变后出现相似的表型16。Titus等在斑马鱼体内的新发现又有望建立范可尼贫血疾病模型,研究结果显示:斑马鱼中与范可尼贫血症有关的九个基因不仅序列与人类的基本一致,而且其蛋白结构也有高度保守性17。2.8免疫疾病模型和感染疾病模型斑马鱼和人类一样,也具有先天性免疫和适应性免疫两种免疫系统,并具有较完整的特异

15、性免疫系统,体内的T淋巴细胞和B淋巴细胞具有免疫活性,非特异性免疫系统也呈现出与人类的相似性,同时保留了T L R信号通道,这些都表明斑马鱼可作为一种理想的免疫疾病研究模式动物。斑马鱼与人类免疫系统的相似性使它在感染模型中有着良好的应用前景,往成鱼体内注射细菌和胚胎浸没感染的方法均可使斑马鱼感染细菌,有效建立相应的细菌发病机理研究模型18,19。海分枝杆菌感染的斑马鱼体内的肺结核肉芽肿和人类一样出现干酪样坏死,该模型可能在肺结核研究中发挥重要作用20。2.9其他疾病模型已鉴定出一些发生多囊肾的突变体,其中doublebubble与人的常染色体显性多囊肾缺陷(ADPKD相似,该突变体可用于研究A

16、DPKD形成的原因。由肾异常引发的视网膜退化综合症的疑问可能在突变体fleer和elipsa中得到解答15。3.结论与展望综上所述,斑马鱼在与人类疾病相关的基因及其功能和人类疾病模型的研究中已显示出重要的意义,但人类疾病的研究应以安全有效地治愈疾病为最终目标。目前,利用斑马鱼作为整体动物模型进行高通量的筛选已成为斑马鱼研究的热点之一,若运用斑马鱼建立的人类疾病模型进行药物筛选并跟踪考察药物在斑马鱼模型体内的吸收,代谢及分布等情况,将会为人类疾病的研究提供更多具有临床应用价值的有效信息。参考文献1LangenauDMetal.Science,2003,299(5608:887-8902WuXet

17、al.ArteriosclerThrombVascBiol,2006,26(10:2414-24163HirataHetal.Development,2004,131(21:5457-54684BassettDIetal.Development,2003,130(23:5851-58605ElworthySetal.MechDev,2005,122(5:659-669CHEMISTRYOFLIFE2008,28(36SonOLetal.BiochemBiophysResCommun,2003,312(3:601-6077PogodaHMetal.DevBiol,2006,298(1:118-1

18、318GarrityDMetal.Development,2002,129(19:4635-46459ArnaoutRetal.ProcNatlAcadSciUSA,2007,104(27:11316-1132110SuYetal.FASEBJ,2007,21(3:682-690.11GrayCetal.ArteriosclerThrombVascBiol,2007,27(10:2135-214112AzumaMetal.BiolChem,2006,281(19:13309-1331613AllendeMLetal.GenesDev,1996,10(24:3141-315514BiehlmaierOetal.InvestOphthalmolVisSci,2003,44(3:1287-129815徐振华等