斑馬魚(yú)_人類疾病研究的理想模式動(dòng)物

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

2、馬魚(yú)(Daniorerio 又名藍(lán)條魚(yú)、花條魚(yú)、斑馬擔(dān)尼魚(yú)等,是一種熱帶觀賞魚(yú),屬鯉科短擔(dān)尼爾屬,原產(chǎn)于印度、孟加拉國(guó)。斑馬魚(yú)成魚(yú)體型較小,體長(zhǎng)46厘米,胚胎透明且體外發(fā)育,易于活體觀察;生長(zhǎng)發(fā)育快,受精后24小時(shí)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(gè)月可長(zhǎng)成成魚(yú),繁殖能力強(qiáng)且易于飼養(yǎng),雌魚(yú)每周可產(chǎn)卵200300枚,可快速獲得大量胚胎。斑馬魚(yú)的特點(diǎn)使其在20世紀(jì)70年代開(kāi)始受到科學(xué)家們的關(guān)注,并成為最重要的模式脊椎動(dòng)物之一。隨著斑馬魚(yú)基因組測(cè)序工程的完成,發(fā)現(xiàn)斑馬魚(yú)的基因與人類的基因保守度達(dá)到85%,使得斑馬魚(yú)成為一種研究人類疾病的模式動(dòng)物越來(lái)越受到人們的關(guān)注。同時(shí),斑馬魚(yú)

3、胚胎發(fā)育遺傳學(xué)技術(shù)的逐步建立和完善也為斑馬魚(yú)的人類疾病模型的建立和分析提供了良好的基礎(chǔ)。本文就斑馬魚(yú)在人類疾病研究中的應(yīng)用作一綜述。1.運(yùn)用斑馬魚(yú)研究人類疾病的方法斑馬魚(yú)作為人類疾病模式動(dòng)物的研究,主要從建立疾病模型和利用疾病模型進(jìn)行機(jī)制研究、藥物篩選等幾個(gè)方面進(jìn)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(yú)體內(nèi)與人類疾病相關(guān)基因的同源基因,通過(guò)顯微注射反義探針等方法誘變?cè)摶?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(kāi)始于表型篩選,通過(guò)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(chǎn)物及其功能。同

4、時(shí)尋找人類相應(yīng)基因,借此發(fā)現(xiàn)與疾病相關(guān)的人類基因或與疾病對(duì)應(yīng)的基因缺陷。在人類和斑馬魚(yú)中高度保守的同源基因突變后若導(dǎo)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(yīng)人類疾病模型的范圍內(nèi)。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(shí),利用組織被特異性標(biāo)記的轉(zhuǎn)基因斑馬魚(yú)篩選影響其組織器官發(fā)育的外源性物質(zhì)也是近年逐漸升溫的研究方向。2.斑馬魚(yú)在人類重大疾病模型中的應(yīng)用2.1癌癥斑馬魚(yú)能像人類一樣患癌癥且具有穩(wěn)定遺傳性,遺傳背景相對(duì)簡(jiǎn)單,其體內(nèi)的致癌基因、腫瘤抑制子等與腫瘤相關(guān)基因也與人類有高度的保守性。通過(guò)誘變基因或細(xì)胞移植的方法可使斑馬魚(yú)體內(nèi)產(chǎn)生或移入具有高度轉(zhuǎn)移

5、性的腫瘤細(xì)胞,并使斑馬魚(yú)罹患癌癥,且患有癌癥的斑馬魚(yú)與同類正常魚(yú)雜交產(chǎn)生的后代也具有癌癥的表型1。目前,已經(jīng)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(yú)模型,斑馬魚(yú)體內(nèi)和人體內(nèi)的腫瘤在組織學(xué)上的相似性使得這些腫瘤模型在其相應(yīng)人類疾病的研究中有著重要的意義。熱CHEMISTRYOFLIFE2008,28(3擊處理成魚(yú)的特定組織、細(xì)胞誘發(fā)腫瘤的方法和斑馬魚(yú)組織特異性標(biāo)記熒光技術(shù)的逐步完善為建立和研究某些特定種類腫瘤的斑馬魚(yú)模型提供了良好的技術(shù)支持。除了建立實(shí)體瘤斑馬魚(yú)模型,利用斑馬魚(yú)研究腫瘤的血管生成也是倍受關(guān)注的研究方向,原位雜交技術(shù)和微血管造影技術(shù)等方法的建立將該研

6、究方向引入了一個(gè)更加成熟的發(fā)展階段。運(yùn)用血管被特異性標(biāo)記熒光蛋白的斑馬魚(yú)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(jiàn)成效,經(jīng)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(zhuǎn)基因斑馬魚(yú)節(jié)間血管的生長(zhǎng)2。2.2肌肉萎縮癥斑馬魚(yú)的肌肉結(jié)構(gòu)和發(fā)育過(guò)程與人類相似,且其體內(nèi)存在許多與人類肌肉相關(guān)的基因并具有高度的保守性。斑馬魚(yú)的一些抗肌萎縮蛋白基因及其蛋白產(chǎn)物都與人類有高度的相似性,體現(xiàn)了其肌肉組織結(jié)構(gòu)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(yú)體內(nèi)的基因和蛋白研究肌肉萎縮癥的領(lǐng)域中。Hirata等進(jìn)行表型篩選時(shí)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(jìn)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(duì)應(yīng)基因的突變也非常相似,利用accordion突變體建立Brody疾病斑馬魚(yú)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(nèi)的D M D基因斷裂,而其同源基因在人體內(nèi)突變會(huì)導(dǎo)致因該基因編碼的抗肌萎縮蛋白減少而造成的迪謝內(nèi)肌營(yíng)養(yǎng)不良癥,這一發(fā)現(xiàn)有利于進(jìn)一步了解人類迪謝內(nèi)肌營(yíng)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(jīng)系統(tǒng)疾病斑馬魚(yú)在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育及功能疾病的研究中的廣泛應(yīng)用源于其與人類非常相似的神經(jīng)系統(tǒng),許多人類神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)的基因都在斑馬魚(yú)

8、中高度保守。研究人員在斑馬魚(yú)體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了與神經(jīng)嵴疾病相關(guān)的P h o x2b基因和對(duì)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(jīng)嵴疾病和帕金森疾病的研究開(kāi)辟了新的途徑。髓鞘軸突在神經(jīng)沖動(dòng)傳導(dǎo)中有著重要的作用,異常發(fā)育的髓鞘軸突會(huì)引起一系列的神經(jīng)疾病。P o g o d a等通過(guò)隨機(jī)誘變髓鞘軸突發(fā)育相關(guān)的基因,得到十種在不同階段影響其發(fā)育的突變體,通過(guò)這些突變體可以找到髓鞘軸突各個(gè)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(yīng)神經(jīng)疾病研究的突破口7。2.4心臟疾病斑馬魚(yú)的胎心類似于人胚胎的心臟,且其胚胎和魚(yú)苗透明,運(yùn)用分

9、子標(biāo)記物如綠色熒光蛋白可對(duì)心臟方便快速地進(jìn)行活體直接觀察。而斑馬魚(yú)胚胎在血液循環(huán)不正常的情況下仍能存活一段時(shí)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(yú)突變體,這些突變體為相應(yīng)心臟疾病的研究提供了良好的平臺(tái)。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(guān)基因的同源基因突變所產(chǎn)生8,該突變體有望成為開(kāi)啟治療霍-奧二氏綜合癥大門的鑰匙。物理學(xué)特性也是人類疾病研究的重要考察點(diǎn),利用斑馬魚(yú)與人類有著極其相似的心臟電學(xué)特性這一特點(diǎn),研究人員通過(guò)對(duì)kcnh2突變體心臟的分子、

10、細(xì)胞、電生理學(xué)特性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)該突變體對(duì)人類心律不齊的研究有著重要的參考價(jià)值9。2.5先天性缺陷疾病斑馬魚(yú)和人的發(fā)育機(jī)制相似,都是由單細(xì)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^(guò)斑馬魚(yú)的胚胎發(fā)育過(guò)程研究人類胚胎發(fā)育過(guò)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(xì)胞層,研究者發(fā)現(xiàn)對(duì)斑馬魚(yú)中胚層的形成有重要影響的Dpr2基因在魚(yú)和人體內(nèi)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(yú)和人類基因有高度的保守性,通過(guò)對(duì)突變體基因、蛋白產(chǎn)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(diǎn)和突變效應(yīng)都類似于人先天性主動(dòng)脈狹窄缺陷的斑馬魚(yú)gridlock突變體在近端主動(dòng)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(yú)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(guān)基因的蛋白產(chǎn)物與人類蛋白BAP28相類似12。CHEMISTRYOFLIFE2008,28(32.6眼科疾病通過(guò)眼睛過(guò)小或皮膚上的色素沉積可以方便快速地篩選出具有視覺(jué)缺陷的斑馬魚(yú),這一特點(diǎn),有利于快速發(fā)現(xiàn)和篩選具有眼科疾病表型的斑馬魚(yú)突變體。Allende等經(jīng)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(chǎn)物同源物在人體內(nèi)異常所引發(fā)的疾

12、病提供了參考13。色素性視網(wǎng)膜炎是一種嚴(yán)重影響人們視力的疾病,而在西方國(guó)家,年齡相關(guān)性黃斑變性疾病(AMD是導(dǎo)致老年人失明的首要原因。最近科學(xué)家發(fā)現(xiàn), g n n突變體可同時(shí)用于研究這兩種視網(wǎng)膜疾病的發(fā)病機(jī)制,該突變體的眼圓錐細(xì)胞早期發(fā)育形態(tài)與人類A M D的錐形細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)失調(diào)相似,而隨后的分化同人類色素性視網(wǎng)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(jī)制可能具有某種內(nèi)在聯(lián)系甚至可能通過(guò)該突變體找到影響視網(wǎng)膜的重要因子。2.7造血系統(tǒng)疾病斑馬魚(yú)的造血系統(tǒng)包括紅系、髓系、淋系和巨核系,且其相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子同人類有高度的同源性,這些特點(diǎn)使斑馬魚(yú)在造血系統(tǒng)研究中有著廣泛的應(yīng)用。而其早期出現(xiàn)

13、血液循環(huán)時(shí)胚胎透明,可用顯微鏡直接觀察循環(huán)細(xì)胞的數(shù)量和形態(tài),這一優(yōu)勢(shì)極大地方便了突變體的篩選15。目前對(duì)紅系造血疾病尤其是貧血癥的研究比較深入,已經(jīng)建立不少疾病模型,如:地中海貧血模型、由ALAS-2基因突變導(dǎo)致的先天性鐵粒幼紅細(xì)胞性貧血模型等。其中人類肝紅細(xì)胞生成型卟啉癥斑馬魚(yú)模型的發(fā)現(xiàn)源于一次大規(guī)模的化學(xué)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?nèi)舭l(fā)生在人體內(nèi)則可導(dǎo)致患者因尿卟啉原脫羧酶減少而罹患肝紅細(xì)胞生成型卟啉癥15。白血病是一種嚴(yán)重威脅人類健康的造血系統(tǒng)疾病,該疾病的斑馬魚(yú)模型是由Langenau等通過(guò)顯微注射將鼠原癌基因c-m

14、yc移入斑馬魚(yú)體內(nèi)的方式初步建立1,隨后該實(shí)驗(yàn)室又通過(guò)熱擊處理Cre/lox調(diào)節(jié)的斑馬魚(yú)得到了患白血病的斑馬魚(yú),有效地改進(jìn)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(gè)新基因有效建立,這個(gè)編碼鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)的基因在斑馬魚(yú)體內(nèi)突變后引起低色素性貧血,而其同源基因在人體內(nèi)發(fā)生突變后出現(xiàn)相似的表型16。Titus等在斑馬魚(yú)體內(nèi)的新發(fā)現(xiàn)又有望建立范可尼貧血疾病模型,研究結(jié)果顯示:斑馬魚(yú)中與范可尼貧血癥有關(guān)的九個(gè)基因不僅序列與人類的基本一致,而且其蛋白結(jié)構(gòu)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(yú)和人類一樣,也具有先天性免疫和適應(yīng)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(nèi)的T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)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(shí)保留了T L R信號(hào)通道,這些都表明斑馬魚(yú)可作為一種理想的免疫疾病研究模式動(dòng)物。斑馬魚(yú)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(yīng)用前景,往成魚(yú)體內(nèi)注射細(xì)菌和胚胎浸沒(méi)感染的方法均可使斑馬魚(yú)感染細(xì)菌,有效建立相應(yīng)的細(xì)菌發(fā)病機(jī)理研究模型18,19。海分枝桿菌感染的斑馬魚(yú)體內(nèi)的肺結(jié)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(jié)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(wǎng)膜退化綜合癥的疑問(wèn)可能在突變體fleer和elipsa中得到解答15。3.結(jié)論與展望綜上所述,斑馬魚(yú)在與人類疾病相關(guān)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(yīng)以安全有效地治愈疾病為最終目標(biāo)。目前,利用斑馬魚(yú)作為整體動(dòng)物模型進(jìn)行高通量的篩選已成為斑馬魚(yú)研究的熱點(diǎn)之一,若運(yùn)用斑馬魚(yú)建立的人類疾病模型進(jìn)行藥物篩選并跟蹤考察藥物在斑馬魚(yú)模型體內(nèi)的吸收,代謝及分布等情況,將會(huì)為人類疾病的研究提供更多具有臨床應(yīng)用價(jià)值的有效信息。參考文獻(xiàn)1LangenauDMetal.Science,2003,299(5608:887-8902WuXet

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