模式生物在发育生物学中的应用

模式生物在发育生物学中的应用

一直到不久以前，多细胞生物在胚胎期复杂的发育变化和调控一直是困扰生命科学的未解之迷。个体生命诞生自精卵结合形成合子，经过细胞的不断分裂、迁移、分化并发生巨大形态变化，构建出未来身体的雏形。越是出生后形态复杂的生物，其发育中细胞间关系的变化也就越剧烈。此外，虽然所有细胞都来自于同一个受精卵，但从发育早期开始，它们就走上了不同的分化道路，越到后期，要精确的说出每个特定位置上细胞的来历就越困难。发育过程从本质上讲是一部生命发展的细胞历史。成体中每个细胞都有一段自己独特的历史，总括起来就构成了个体生命。对复杂生物发育的解读类似于对有悠久历史的古文明所进行的研究，史料千头万绪，细节纷繁，难以把握，有时甚至无从下手。显然，如何选取恰当的切入点，找出诸种复杂现象背后潜藏的共同规律就成为洞悉这部生命史的关键。

早在一百多年前人们就发现，如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上则发育的难题可以得到部分解答。因为这些生物的细胞数量和种类更少，胚胎在体外发育，变化也较容易观察。由于进化的原因，细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一性，所以利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研究发育共同规律是可能的。尤其是当在有不同发育特点的生物中发现共同形态发生和变化特征时，发育的普遍原理也就得以建立。因为对这些生物的研究具有帮助我们理解生命世界一般规律的意义，所以它们被称为“模式生物”。一种模式生物应具备以下特点：1）其生理特征能够代表生物界的某一大类群；2）容易获得并易于在实验室内饲养、繁殖；3）容易进行实验操作，特别是遗传学分析。于是，长久以来在进化支流的港湾中休憩的小生命——酵母、线虫、果蝇、海胆、斑马鱼、非洲爪蟾、小鼠、拟南芥，获得了前所未有的青睐。在此，我仅针对斑马鱼进行简要的阐述。

作为模式生物，斑马鱼及其胚胎具有以下优点：①斑马鱼亲鱼体形小，易于管理，极大地减少了饲养空间和管理成本；②斑马鱼雌鱼产卵量大，每次可产约300 枚，实验用样本基数大，确保统计学意义；胚胎药物处理简单，需求量少；③胚胎体外发育，发育周期短，从受精卵到仔鱼在正常条件下只需72h，借助显微镜可清楚的观察整个发育过程；④发育初期透明，通过特定基因标记，可以直观的观察靶基因的表达；⑤应用到原位杂交技术和免疫组化技术。

斑马鱼及其胚胎的视觉及神经系统、组织器官等在基因水平上与人类具有高度的保守性，并且斑马鱼胚胎早期发育与人类极为相同，而其最大优势是繁殖迅速，快速繁殖有利于基因筛选。

1、造血系统疾病

斑马鱼发育早期透明，可直接观察血液系统的发生发展，如血液循环、心脏跳动。斑马鱼的造血系统包括红系、髓系、淋系及血小板等，其造血过程及造血区域与高等脊椎动物高度相似。鉴于这些优点，斑马鱼成为了研究造血系统疾病研究的最佳模式生物。目前对红系造血病尤其是贫血症的相关研究比较透彻，研究者们建立了相关疾病的斑马鱼模型，如可遗传的地中海贫血模型、斑马鱼Fe 幼粒红细胞性贫血模型等。白血病是青少年最常见的一种恶性肿瘤。Langenau 等最先建立了斑马鱼的白血病模型。研究者将来源于小鼠c-myc基因与斑马鱼胚胎的Rag2 基因融合，然后在此基因团的尾部连接上发绿色荧光的GFP 基因，再将c-myc-Rag2-GFP 的融合体移入到斑体细胞中，使所有接受过基因移植的斑马鱼均表达此基因，就此建立了斑马鱼白血病模型。

2、心脏疾病

斑马鱼TNNT2 基因的功能与人类相似，其突变都可导致心肌病变，据此可建立斑马鱼心肌病变模型；人类Tbx5 基因突变会造成心脏发育畸形，而斑马鱼的Tbx5 突变同样会造成胚胎发育过程中出心脏畸形，并且会使得胸鳍的发育受到影响，据此可建立斑马鱼心脏病模型[10]。崇梅[11]等人通过显微注射发现，Tbx2 基因沉默的斑马鱼胚胎在发育过程中会出现不同损伤程度的心脏发育障碍，证明Tbx2 在心脏发育过程中起

着重要的作用。

3、眼部疾病

斑马鱼发育早期，眼部占脑部的1/2，成鱼对光照敏感，且昼夜节律明显，因而斑马鱼对人类视觉疾病的相关研究具有极大的帮助。通过眼睛过小或皮肤上的色素沉积这一特点，有利于快速发现和筛选具有眼科疾病表形的斑马鱼突变体。色素性视网膜炎和年龄相关性黄斑变性（AMD）疾病都可以引起眼部疾病，斑马鱼gnn 基因突变的胚胎眼睛圆锥状细胞发育早期与AMD 引起的眼部锥形细胞由于营养供给紊乱所造成的眼部疾病相似，并且gnn 胚胎突变体眼部细胞在后续的发育与人色素性视网膜炎类似，因而斑马鱼的gnn 胚胎突变体可以应用到这两种疾病的发生发展机理的研究中。

4、神经系统疾病

帕金森氏病（PD）是脑部的黒质-纹状体的多巴胺能通路受到损伤所致。化学毒性物质MPTP （1-甲基-1-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶）可以造成与PD 相似的现象。Mckinley 等研究人员通过对斑马鱼幼鱼进行MPTP 染毒造成其多巴胺能神经细胞损伤从而建立类似人类PD 的斑马鱼模型。借此模型，研究者们发现L-塞利吉林（单氨氧化酶抑制物）及诺米芬辛

（多巴胺转运蛋白抑制物）具有保护多巴胺能神经细胞的作用。此外，斑马鱼体内的Phox2b （与神经脊疾病发生相关）和Uch-L19（跟PD 相关）基因与人类具有高度保守性，因而可以通过斑马鱼及相关模型的建立来研究与此基因相关的神经系统疾病。

阿尔茨海默病（AD）是大脑神经细胞大量死亡所导致。研究发现，淀粉样蛋白尤其是样淀粉蛋白的表达过量在AD病的发生发展中起着巨大的作用。Aβ（β样淀粉蛋白）由APP（淀粉样前体蛋白）切割产生，其大小长度由γ-分泌酶决定。科研人员Canmpbel等对Aβ产生有关的基因如Pen2、Psen1 及Ph1 等进行敲除，发现Pen2对依赖于p53的神经细胞存活具有重要影响。

除此，斑马鱼的感觉器官如嗅觉、听觉等大多分布在体表，利用行为学分析方法及手段可以很容易地对嗅觉及听觉等神经功能进行相关测验。

5、血管生成

在肿瘤、糖尿病、心脏病等疾病的进程中都伴随有血管新生，利用斑马鱼血管新生模型可以筛选出血管生成促进剂或抑制剂从而在这些疾病的治疗中发挥作用。在癌症治疗领域，利用斑马鱼研究肿瘤的血管生成备受关注。已有研究表明，麦考酚酸对进行血管标记绿色荧光蛋白的转基因斑马鱼血管生长具有抑制作用，且呈现出剂量依赖性；经血管内皮生长因子VEGF 注射的斑马鱼胚胎，检测到其体内有明显的新生血管生成。肿瘤的发生发展与肿瘤内部的血管新生有密切联系，因而在肿瘤治疗领域可采用阻抑VEGF 抑制新生血管形成及原有血管生长来达到治疗肿瘤作用[17]。研究人员利用转基因斑马鱼对化合物进行斑马鱼胚胎血管生成实验，证明大黄素、芦荟大黄素及大黄酸对血管生成具有抑制作用，提示大黄的抗炎作用可能与其具有血管生长抑制作用有关。

6、肿瘤

斑马鱼可以自发的产生肿瘤，其发生发展过程与人类极为相似，具有稳定遗传性，遗传背景相对简单，斑马鱼体内与肿瘤相关的基因与人类具有高度的保守性。在肿瘤的发生及发展过程中，细胞周期调控受到阻滞，遗传物质DNA 的损伤修复功能受阻，因此在实际的治疗过程中寻找具有靶向性的细胞周期检验点抑制剂就显得颇为重要。斑马鱼及其胚胎在发育的早期过程中由于存在各种类型的细胞，因而，其在关于细胞周期的研究中具有明显的优势。抑癌基因p53 对细胞的正常生长具有副调节作用，可以引起细胞凋亡和衰老，如果其结构和功能受到损伤就会导致细胞周期进程发生改变，易引发癌症的产生。有科学研究者利用斑马鱼p53 突变体进行细胞周期相关药物的筛选，期望在肿瘤治疗领

域起到较好的疗效。

7、免疫、感染疾病模型

与人类所相似的是，先天性免疫和适应性免疫系统也都存在于斑马鱼体内，且两系统的功能与人类极为相近，因而斑马鱼及其胚胎可以应用到人类免疫系统相关的疾病研究中。据此，研究者分别建立了斑马鱼的细菌感染模型和肺结核模型。

综上所述，斑马鱼及其胚胎在人类相关的疾病研究中具有重要的应用价值。现有研究大多集中于利于相关疾病斑马鱼模型对化合物进行高通量筛选，如果再对药物在斑马鱼体内的吸收、分布及代谢等情况进行详细的跟踪研究，相信会为人类疾病在实际的临床治疗中提供更为有实用价值的信息。