斑马鱼的内分泌系统研究进展(王华飞)

1、毕业论文论文题目：斑马鱼的内分泌系统的研究学生姓名：王华飞学 号：1113030228所在院系：生物工程学院专业名称：生物技术届 别：2015届指导教师：陈锦云 淮南师范学院教务处目 录前言：31、作为模式生物斑马鱼的优点42、斑马鱼内分泌系统研究在医学方面的发展42.1斑马鱼模型能在医学上的应用原因42.2 用斑马鱼突变体构来建疾病模型42.3.神经学研究的模式生物53、斑马鱼内分泌系统研究在环境检测中的应用63.1斑马鱼能用与环境检测的原理63.2筛选环境中的内分泌干扰物74、斑马鱼内分泌系统研究在新药研究方向的应用74.1斑马鱼内分泌系统模型在新药筛选中的应用74.2在动物生殖内分泌学中

2、的应用95、人工内分泌统的基础95.1人工内分泌系统的原理95.2人工内分泌系统在未来研究中的展望11参考文献：11斑马鱼内分泌系统的研究进展学生： 王华飞（指导老师：陈锦云）（淮南师范学院生物工程学院）摘要：本文综述了模式生物斑马鱼内分泌系统的研究进展。研究人员把斑马鱼的研究主要归纳为以下几个方面：1.突变体做为模型来研究人类的内分泌疾病;2.了解了其发病机制并且研制出了新药;3.斑马鱼内分泌系统的研究还在环境检测及毒理学方面有着重要的应用;4.最后展望在未来科技中人工内分泌系统。关键词：斑马鱼；人工内分泌系统；医学；环境；药物Study on the endocrine syst

3、em in zebrafishAbstract: This paper reviews the research progress of zebrafish endocrine system. Researchers to zebrafish studies are summarized as the following aspects: 1. The mutant do as a model to study human endocrine disease; 2. Understanding the pathogenesis and the development of

4、a new drug; 3. Zebrafish endocrine system research is still in the environment detection and toxicological aspects of has a important application. 4. Finally, the prospect in the future science and technology artificial endocrine systemKeywords: zebrafish; artificial endocrine system; medical enviro

5、nment; drug;前言： 斑马鱼(Danio Rerio) 属于鲤科担尼鱼属，民间俗称花条鱼、蓝条鱼，产于一些亚洲国家西北地区的一种用于观赏的淡水鱼类。斑马鱼它体型小，对生活的水质环境没有特殊的要求，繁殖能力强，成鱼的体长在25厘米。它的卵子在体外受精，胚胎能够在体外发育，不仅胚胎透明易观察而且同步生长速度快。由于其胚胎透明在解剖镜下可以观察到胚胎发育的全过程。具备上述优点的斑马鱼作为常用的研究的模式生物已在生物学研究崭露头角，美国俄勒冈大学的科学家George Streisigner是第一个将斑马鱼做为研究遗传材料用于试验中。斑马鱼模型被广泛的应用于胚胎发育、器官再生、细胞迁移，行为学

6、以及神经性疾病等学术领域。近年来在环境毒理学检测、新药物研发、生物医学等领域的研究中斑马鱼这一优良的实验材料被广泛的运用到实验中。这是因为斑马鱼突变体具有很多优点能使其成为多种疾病模型的研究材料，本文主要记述现有的斑马鱼内分泌系统研究方向及其发展前景。1、作为模式生物斑马鱼的优点在最近生物医学研究领域，斑马鱼逐渐的成为研究疾病的明星模型动物。主要的研究学科包括形态发生学、神经科学、发育生物学、器官再生学、衰老机制、新药筛选等等。斑马鱼能成为被广泛用于实验的动物模型是因为其易于饲养、遗传筛选，后代繁育数量大，胚胎具有光透性1。斑马鱼作为模式生物其研究结果同样可以适用于人体，是因为人类基因和斑马鱼

7、在某些基因的结构域中有着87%的同源性。用斑马鱼做遗传学科的实验材料比起小鼠和果蝇等模式生物最大的优势是可以获得体内高分辨率的对比图片，但是由于找不到合适转基因工具和酶无法进行基因敲除实验的操作。因为技术方面的落后制约了斑马鱼前期的研究发展。然而，现阶段研究斑马鱼地方法以趋于成熟。例如可以使用斑马鱼品系中的MAZe种和锌指核酸酶(用于基因敲除的高效酶)、脑彩虹转基因技术等新研发出的高科技工具，通过研斑马鱼复杂的发育过程可以破解人类内分泌系统疾病的病因。2另外，人类和斑马鱼在遗传途径方面存在着相似性其基因组也有很多的同源性。利用现阶段的技术平台斑马鱼可以带替小鼠等哺乳动物做药物筛选。2、斑马鱼内

8、分泌系统研究在医学方面的发展2.1斑马鱼模型能在医学上的应用原因当受精卵在分裂一天后，幼鱼的各个脑室、耳、眼、血细胞、体节等均清晰可见，已形成器官和组织的胚胎和人类的相似。人类某些基因组的结构域和斑马鱼具有高度的同源性。现在实验中通过基因敲除技术获得的一些斑马鱼突变体，其表型和人类疾病的症状相似，从研究中可以破解人类疾病的发病机制。32.2 用斑马鱼突变体构来建疾病模型实验表明，Sau型突变斑马鱼品系中被破坏的基因功能主要是合成胚胎红细胞血红素，它的血细胞小，血红蛋白含量低的症状和人类先天性铁珠幼红细胞贫血症相似。yqu突变体中UROD基因被敲除后会使会使大量卟啉堆积在红细胞中，使细胞正常生理

9、功能受到影响，机体表现是对光高度敏感，类似与人的红细胞卟啉症。4gdk斑马鱼突变体表现型是动脉不能够正常的形成，会导致血液循环窒息和类似于人类的先天性动脉血管收缩综合症;人类重症肌无力症可以用spe突变体来模拟。当代社会肿瘤疾病也是威胁人类健康的重要因素，斑马鱼突变体同样可以构建肿瘤模型。科研人员通过诱变剂诱导表观基因组发生突变机体的筛选，可获得不同类肿瘤发生的突变体。科学家将小鼠的c-myc基因导入到斑马鱼的胸腺细胞中进行过量表达而制备出和人类败血病症状相似的突变体。5诱导斑马鱼的抑癌基因P35突变后,容易诱发斑马鱼的神经鞘肿瘤。在研究中将b-myb基因诱导突变后，再将突变体杂合体用MNNG

10、致瘤剂处理,获得突变体比一般的斑马鱼更易发生殖器官细胞瘤、消化系统瘤、动脉血管瘤等肿瘤。2.3.神经学研究的模式生物当证明斑马鱼主要的机体生化调节途径和基因组学数据存在相关关联后，生物神经学实验中广泛用斑马鱼做实验材料。随着基因敲除和转基因技术的应用斑马鱼的品系逐渐的丰富起来。成熟的靶基因定位技术、基因测序和和基因芯片技术的应用，使斑马鱼逐渐成为生物神经学研究的模型。斑马鱼的发育时间短，能在24hpf内形成神经管并且可以在27hpf处产生触感。它能在短时间内发育出不太成熟的神经丛系统。在早期的中枢神经系统中间脑内具有完善的丘脑垂体结构，端脑发育简单。斑马鱼脑部的中脑皮层是最复杂的脑皮层，运动中

11、枢（后脑）存在菱脑中；另外，斑马鱼脊柱中的脊髓也非常的粗壮。综上所述斑马鱼是研究生物神经学、动物行为学，鱼类发育学的经典模型。如何破解微观基因表达调控和动物宏观行为之间的关系；需要通过研究脊椎动物行为学方面在应对相关的环境所产生的刺激中寻找答案。研究用斑马鱼做为模型的行为学包括觅食、逃避、偏好性、偏侧性。当斑马鱼胚胎发育到17冲时会形成自发摆尾游泳运动,在到27冲时胚胎对外界刺激作出常规的跳跃式游泳行为。刚孵化后的幼鱼会出现爆发式游泳,4dPf后自发的滑行游泳动作出现。到6dP时幼鱼出现形态较为完美的常规游泳行为,并伴随出现目标导向行为的视觉运动反应等等。几天后幼鱼集成视觉、触觉、味觉、身体信

12、号形成更复杂的摄食行为并伴随决定和选择等高级脑功能行为的出现。在研究斑马鱼的运动回路中，斑马鱼发生游泳逃避行为时，脑干中逃避神经网所起作用是收集分析各种传递来的电信号,使机体产生远离刺激源的游泳行为。斑马鱼是如何应对于发生在身体不同部位的刺激尼？它依靠变换不同的游泳方向来调整的,这些发生在不同位置的刺激使位于机体不同位置的亚神经元网被激活，然后位于后脑两侧的M细胞接受刺激后大脑作出调整方向的反应。对自由游泳的斑马鱼进行药物成瘾实验，通过喂食斑马鱼含有安非他明的食物一段时间后，它会产生对某个方向有特殊青睐的游泳行为。在判断斑马鱼是否对其它药物瘾实验中同样可以采用位置偏好这个方法。现代医学研究中再

13、生医学占有重要的地位，最近几年再生医学研究发展迅猛其相关的产业和学科都成为朝阳产业和前沿科；它再发展中不仅融入了新技术还包含了新的学术思想。其主要涉及再生组织器官技术、克隆技术、异种器官移植、新型生物材料、器官再生药物，干细胞移植学等诸多学科。这也体现了再生医学与其它学科的交叉也表明了再生医学的重要性。科研人员认为在未来的发展研究中再生医学还需要开发新的技术和理论。其研究成果将被用来攻克困扰人类很长时间的疑难病症，诸如遗传疾病、多种恶性肿瘤、异体器官移植，器官坏死的修复治疗带来了新的曙光。因此，为了创造更多的经济价值需要投入更多的资源进行再生医学的研究。组织器官再生现象很久以前就引起了科学家的

14、讨论；在不同种生物之间存在着非常大的差异，例如高等脊椎动物比低等脊椎动物强；同种生物间年龄小的比年龄大的再生能力强。斑马鱼的心脏、肝脏、脊髓等器官具有很强的再生能力。因此，通过斑马鱼器官再生过程的研究将获取大量的有用信息, 在再生医学领域具有里程碑的意义，为破解人类再生缺陷机制打下坚实的基础。科学家将对斑马鱼在心脏、脊髓、肝脏等再生医学研究方面做更深层次的研究。在最近的研究中科学家已构建出了斑马鱼的心脏、肝脏、神经系统、内分泌系统再生模型。3、斑马鱼内分泌系统研究在环境检测中的应用3.1斑马鱼能用与环境检测的原理当生活质量提高的同时，人们也越来越关注生活环境的质量。环境因素影响基本的生物代谢过

15、程，以及环境诱导基因组的改变使人体致病的原因是人们关注的热点。生物学家通过微观基因技术环境中的有毒物质诱导生物基因突变的过程、环境因素在动物机体致病所起的作用。以及为什么在同样的环境下生物体会患不同的疾病。所以迫切需要,研发出对环境有毒因子敏感的生物检测标志物、建立完善的环境风险预警系统、适合疾病治疗的方法都需要用到斑马鱼这一环境检测漠视生物。幼年斑马鱼体内有可以用于评估环境中的有毒物质对神经系统和内分泌系统、内脏器官毒性作用的结构，它包括丘脑一垂体一肾上腺轴等部分。在斑马鱼致畸实验中，器官畸形的原因得到了揭示。研究结果显示对斑马鱼器官致畸的78种因素中有56种因素对哺乳动物的器官同样起致畸作

16、用。与一些小鼠的检测实验相比斑马鱼检测技术就有很多优势诸如操作简单、实验结果可靠性较高,成本低廉、安全性高、干扰因素少、灵敏度高。3.2筛选环境中的内分泌干扰物在人们生活的环境中，有许多有毒物质或环境中小分子物质都会影响到人们的健康。环境内分泌干扰物就是其中的一类小分子物质，它可以通过干扰生物体内的激素途径来扰乱生物体自身平衡和调节发育过程，从而影响人类的免疫、神经系统的调节。人类在生产生活中会产生许多有害的废物其中就包含有小分子的环境内分泌干扰物。当人类通过摄食、触摸后内分泌干扰物通过皮肤进入血液中后进行富集，达到一定浓度后对人体内正常的激素分泌造成影响，使人体基本代谢过程发生紊乱，从而使机

17、体内环境稳定受到破坏。近年环境科学领域一直在关注着如何快速筛选出环境内分泌干扰物的方法。目前重点研究的筛选方法主要有模式动物筛选法、组织器官筛选、分子筛选和细胞筛选。现在运用最广泛的是模式动物筛选法。研究人员建立起适合我国实际情况的斑马鱼筛选环境内分泌干扰物生物标志物的筛选方法。4、斑马鱼内分泌系统研究在新药研究方向的应用4.1斑马鱼内分泌系统模型在新药筛选中的应用在研发新药过程中涉及到药物的筛选，其中包括了复杂的生物化学的反复筛选和细胞学检查,最后还必须经过大量动物实验和临床检测。因此，筛选药物的新“药筛”斑马鱼有了用武之地。相比较哺乳动物作药物吸收、分配、代谢、排泄和毒性分析检测价格不菲；

18、消耗的时间长还会造成药物不必要的浪费。所以筛选实验必须要很容易观察药物对活体器官的作用，而斑马鱼的胚胎是透明的且体外发育，这是其它哺乳动物模型无法比拟优点。斑马鱼的胚胎不是很大，只需要很少量的样品就可以完成一次测定，而且筛选可以在多孔微板上进行，每孔只需要少量的水。实验样品在第一周内不需要进行喂食的，因为斑马鱼胚胎中的卵黄可以提供营养。放药的方法也非常简单，药物放入孔中后胚胎可以吸收溶于水中的药物小分子。斑马鱼模型通过遗传筛选获得了许多与人类疾病相似突变性状，1000多个具有可见胚胎显型的突变体被筛选出来。9其中主要包括内分泌疾病、器官损伤病等模型。拿各种疾病的斑马鱼模型做靶点平台来筛选出各种

19、特效药。首先制作各种患各种疾病斑马鱼的基因芯片从中筛选出致病基因。以致病基因作为药物结合的靶点。例如, 通过靶向途径筛选降胆固醇的新药zetia，通过对胆固醇代谢异常而消化功能正常的斑马鱼进行基因筛选确定出致病基因。然后，研究人员通过斑马鱼实验数据得出血浆胆固醇水平下降与乙酞辅酶A胆固醇乙酞转移酶(ACAT)有关因此研发出了zetia。肿瘤是当今世界上最难治疗的疾病之一，通过研究发现肿瘤的生长主要是通过血管系统发展和转移的；这就为肿瘤治疗提供了一个新的方向（肿瘤血管靶向治疗）。6经多年的实验研究，在肿瘤靶向治疗新药方面我国取得了重要进展：上海大学与浙江大德药业基于血管生成原理建立的斑马鱼抗癌药

20、模型上研发出的肿瘤新生血管抑制药物康普利停进入了末期临床实验。在上1980年初美国科学家从植物中分离出能够抑制肿瘤血管新生的有效物质CA4P，在CA4P的研究成果上，大德药业公司和上海大学化学系联合研究，通过斑马鱼的筛选实验对CA4P进行提高药效、减小副作用的药物分子结构改进，康普立停肿瘤血管破坏抑制药物得以问世。前期斑马鱼实验和对肠癌，肺癌等肿瘤患者的临床试验，证实了康普立停具有特效性和低副作用性能明显减少血液通过肿瘤血管的量抑制肿瘤的生长对周围正常的血管无毒副作用。7在1960年初，哈佛大学教授提出了肿瘤的生长和转移需要依赖新生血管的生长。当切断肿瘤的新生血管，肿瘤无法获得充足的养分会逐渐

21、死亡；当肿瘤扎根到组织中时，生长出新生的血管有充足的养分时能够以惊人的速度生长。肿瘤细胞还能过通过血液进行移动到全身各处的组织和器官。因此，只要能够抑制肿瘤的血管新生就能够杀死肿瘤组织。根据科学家预测，未来治疗肿瘤的途径主要是切断肿瘤细胞产生新的血管类药物。华东师范大学医学研究所肿瘤血管新生研究小组，根据已知道的科研结果在中药中筛选可以抑制血管新生的蛋白单体（藤黄素），并研究藤黄酸的分子机理。刘明耀领导的研究团队发现：小分子单体藤黄酸作用于血管上的细胞其中的藤黄素与靶细胞上特异性受体结合。使细胞内AKT、FAK、c-Src等生化途径发生改变抑制血管新生来遏制肿瘤的生长。从而来达到消灭肿瘤的目的

22、。通过药物对照试验发现，施加藤黄酸的实验组肿瘤基本处与萎缩或停止生长状态，斑马鱼能够正常存活；而对照组的斑马鱼肿瘤迅速增大并转移，实验中的斑马鱼逐渐的死亡；研究还发现只需要低浓度藤黄素直接作用于肿瘤细胞就可以抑制新血管生长，研究结果表明康普立停抗肿瘤药具有高效性，低剂量的情况下就能够其到同类抗肿瘤药的效果而且它的副作用低。14综上所述可以看出斑马鱼在新药筛选方面做出了巨大的贡献4.2在动物生殖内分泌学中的应用研究斑马鱼的生殖内分泌学目的在于通过科学的手段来调控生殖内分泌系统的运行以提高和优化动物生产能力。如何通过通过优化动物的生殖内分泌学来是动物高产？哺乳动物生殖内分泌系统的作用原理是：下丘脑

23、分泌促性腺激素，它通过血液扩散到靶器官（垂体），促使其释放促进性腺激素（GtH）。促性腺激素对哺乳动物的性发育和分娩起非常大的作用。8在实验研就中利用特异性ELISA技术证明了有两种GnRH、 GnRH2和GnRH3激素存在斑马鱼脑部,并已经克隆获得两种GnRH的全长序列然后通过基因工程技术大批量的生产该激素药物。105、人工内分泌统的基础5.1人工内分泌系统的原理斑马鱼内分泌系统的工作原理中存在复杂而独特的信息处理机制，受其启发而研制的人工内分泌系统有着很好的发展前景。首先从不同层次上对内分泌系统进行了总结进而对一些典型的模型及其应用进行了全面分析讨论，应重点关注的研究方向是人们通过理论和技

24、术的结合来解决复杂的人工系统智能化的处理所遇到的问题。内分泌系统集合生理信息传递和反馈执行功能的系统，它主要通过激素的释放调节机体的生理功能以维持内环境的稳定。内分泌系统包括激素和内分泌腺；内分泌腺主要包括下丘脑、甲状腺、胸腺、胰腺、肾上腺等腺体。这些腺体能分泌高效低量的小分子激素通过血液作用于各个靶器官。这些腺体分泌着不同的激素其不同的调节作用。内分泌腺体之间的作用：内分泌系统中的下丘脑分泌促性腺集素。垂体分泌促激素作用于内分泌靶腺促进靶腺的激素分泌各种内分泌靶器官。激素之间的相互作用激素是生物信息传递的信使在分泌量极少情况下及在体内的浓度极低条件其调节作用非常明显。每一种激素都有相应的靶细

25、胞或靶组织但它的靶细胞可能有很多类，起的作用也不一定相同。激素的作用机制是信息分子通过与细胞膜上的特异性蛋白受体结合，从而引起细胞内外一系列的链式反应。代谢和生理过程的进行方向和速度的变化进行调整从而使机体的活动适应于身体外部环境和内部环境的改变。激素能够参与靶器官的调节但不参与其生化反应。对于相同功能的调节 ；两种或多种激素间具有拮抗和协同作用，内分泌细胞接收来自系统的相关刺激产生相应的激活度；激活度的高低是决定内分泌细胞在生物体系中分泌激素种类和量的多少。12内分泌细胞所产生的激素是通过血液扩散到全身的各处，不同靶器官上特异性的受体可接受机体内环境中内分泌细胞所分泌的特定激素并做出相应的应

26、答来调节机体的生化反应。这样在各种内分泌细胞内分泌器官和其他系统之间存在着相互联系；三大信息处理系统是紧密相连的如神经系统、免疫系统、内分泌系统在功能上是相互作用的，其中下丘脑在神经系统和内分泌系统在二者之间起着桥梁的作用。因此下丘脑在维持内分泌调节和机体内环境稳定方面扮演着重要的角色。下丘脑释放的很多激素调节着生物体的生命活动其主要是调节着垂体各类激素释放途径来实现的；通过下丘脑释放的激素能够调节生物体中的垂体释放激素，很多内分泌激素都能调节免疫系统的功能它们通过与免疫细胞上的激素受体结合量的多少使免疫功能减弱或增强。15能够于内分泌系统相互作用的胸腺既是内分泌腺体又是中枢淋巴器管，主是由于

27、细胞因子对下丘脑垂体肾上腺轴的作用另外免疫系统作用于内分泌细胞产生激素来调控靶器官的受体与激素分子的结合来影响内分泌功能。135.2人工内分泌系统在未来研究中的展望在本世纪初人工内分泌系统研究还没有取得重大的突破，研究方法和手段还很原始。还没有公认和统一的模型由于理论的局限的应用领域也很有限目前的困难一方面是内分泌系统具有高度的复杂性和层次性其生物机理在很多方面还在探索阶段另一方面这个领域的研究具有很强的交叉性和前瞻性需要研究者具有多学科的知识和跨领域的团队合作的研究现状。科学家认为下一步研究工作发展的方向在以生物理论为基础对内分泌系统的信息处理机制进行合理的分析和抽取构造新的理论模型。随着对

28、斑马鱼模型内分泌系统的研究的深入，将会对内分泌系统从不同的层次分别加以研究并分别建立各层次的理论模型在这个模型的基础上抽象出更高层次和更为完整的结构系统和计算模型开展和系统相互融合的研究。11用于解决更为复杂系统的整体智能行为在已有的理论成果的基础上进一步加强在科学和工程领域的应用研究拓展其应用范围。参考文献：1 Almeida-VAL V M F, Chippari Gomes A R Lopes N P. Metabolic and physiological ad justments to low oxygen and high temperature in fishes of the

29、Amazon J . Fish Physiology 200621: 443 499. 2 Bermejo F, Benito-León J, Vega S, et al. Incidence and subtypes of dementia in three elderly populations of central SpainJ. J Neurol Sci, 2008, 264(12): 63 -72.3 Ruitenberg A, Ott A, van Swieten JC, et al. Incidence of dementia:does gender make a di

30、fference J. Neurobiol Aging, 2001, 22(4): 575-580.4 Kawas C, Gray S, Brookmeyer A, et al. Age specific incidence rates of Alzheimers disease. The Baltimore longitudinal study of aging J. Neurology, 2000 , 54(11): 2072-2077.5 董武，魏强，寺冈宏树，等，二恶英诱发斑马鱼初期胚的循环系统障碍，中国实验动物学报，2002，10（2）：6973.6 张立凤，钟涛，桂永浩，外源性视黄酸对斑马鱼心血管系统发育的影响，中国实验动物学报，2006.14（2）：8588.7 江千秋，吴端生.