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斑马鱼为何成为最重要的模式生物之一?

作者:时间:2019-11-08 13:03:54浏览322 次

信息摘要:

斑马鱼个体小,节省饲养和测试空间;斑马鱼体外受精,体外发育——不受母体影响,便于测试;斑马鱼胚胎时期不需要进食,依靠卵黄提供发展所需的能量——避免了喂食对测试造成的干扰;斑马鱼发育速度快,从受精卵到孵化变成小鱼只需要 3 天时间(其胚胎 1 天发育相当于人类胚胎的 12 周(约 4 个月)),到成鱼只需 3-4个月时间——大大节约饲养成本及测试时间;斑马鱼胚胎通体透明,显微镜下各器官组织清晰可见——便于毒理反应观察;

斑马鱼为何成为最重要的模式生物之一

先了解一下什么是“模式生物”?

科学家通过对选定的生物物种进行科学研究,用于揭示某种具有普遍规律的生命现象,这种被选定的生物物种就是“模式生物”。如:线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠等。小鼠是由小家鼠演变而来。它广泛分布于世界各地,经长期人工饲养选择培育,已育成1000多近交系和独立的远交群。早在17世纪就有人用小鼠做实验,现已成为使用量更大、研究最详尽的哺乳类实验动物。模式生物在推动生命科学发展中发挥着极其重要的作用,通过对模式生物的科学研究,进一步帮助人类从更深层次上认识生命的本质,更好地解决人口、健康和环境问题,已成为关系到人类生存和发展的重大问题。

关于“斑马鱼”

「斑马鱼」俗称“花条鱼”、“蓝条鱼”。鱼纲,鲤科。是一种性情活泼、不怕冷的热带鱼品种。体呈长菱形,身长约5厘米左右,尾部侧扁。雌鱼体较宽,腹部膨大,臀鳍淡黄色;雄鱼体较窄,体黄色,背部橄榄色,从背部至尾部和臀鳍,上有数条深蓝色条纹直达尾鳍,全身条纹似斑马纹,因而得名。斑马鱼性情温和,喜结群游动。一般6月龄性成熟。卵生。其繁殖力很强,产卵量高,成熟鱼每隔几天可产卵一次。繁殖周期约7天左右,一年可连续繁殖6~7次。斑马鱼的发育分为6个阶段:卵裂期,囊胚期,原肠胚期、分裂期、成形期和孵化期。

zebrafish

绿色荧光蛋白红色荧光蛋白在斑马鱼上表达

斑马鱼尽管属于淡水鱼类,但是能够耐受很大的盐度范围。斑马鱼原本是栖息在印度、巴基斯坦、孟加拉共和国、缅甸和尼泊尔等内陆水域的,但后来因为它本身色彩显眼而且种类繁多,以至于被世界各地引进,成为水族馆的淡水观赏鱼之一,在我国多地也均有养殖。斑马鱼和人类基因有着87%的高度同源性,作为模式生物的优势很突出,这意味着其实验结果大多数情况下适用于人体。同时具有繁殖能力强、体外受精和发育、胚胎透明、性成熟周期短、个体小易养殖等诸多特点,特别是可以进行大规模的正向基因饱和突变与筛选。这些特点使其成为功能基因组时代生命科学研究中重要的模式脊椎动物之一。目前,全球范围内有超过1500个斑马鱼实验室;在我国有250个以上的实验室利用斑马鱼开展相关科学研究。


斑马鱼为什么是重要的模式生物之一

斑马鱼的细胞标记技术、组织移植技术、突变技术、单倍体育种技术、转基因技术、基因活性抑制技术等已经成熟,且有数以千计的斑马鱼胚胎突变体,是研究胚胎发育分子机制的优良资源,有的还可做为人类疾病模型。因为斑马鱼的胚胎是透明的,所以生物学家很容易观察到药物对其体内器官的影响。此外,雌性斑马鱼可产卵200枚,胚胎在24小时内就可发育成形,这使得生物学家可以在同一代鱼身上进行不同的实验,进而研究病理演化过程并找到病因。在国际上,斑马鱼模式生物的使用正逐渐拓展和深入到生命体的多种系统(例如,神经系统、免疫系统、心血管系统、生殖系统等)的发育、功能和疾病(例如,神经退行性疾病、遗传性心血管疾病、糖尿病等)的研究中,并已应用于小分子化合物的大规模新药筛选。

绿色荧光蛋白在斑马鱼上表达

斑马鱼的科研价值与贡献

为盲人带来福音

英国科学家发现,人类视网膜中细胞与斑马鱼相似,并计划在5年内将研究结果用于失明患者治疗,让他们重见光明。这项研究仅在英国就能为成百上千名患者带来希望。英国皇家盲人学会的安尼塔·莱特斯通说:学会对这一研究结果感到非常高兴,这可能有助于治疗因视网膜受损引起的失明。帮助大量疾病患者困扰。尽管手术治疗已指日可待,但研究人员仍担心,患者手术后会因移植他人细胞而产生排斥反应。研究人员说,如果能够激活人类体内不具活性的放射状胶质细胞,使它们自己分化为新的视网膜细胞,将是治疗这类疾病的更佳办法。利姆说:“我们下一阶段将研究阻碍人类放射状胶质细胞自我再生的因素,一旦找到原因,离最终方案就更近一步。”

肢体再生之谜

德国康斯坦茨大学科学家宣布,经过30年的研究,成功解开动物肢体再生之谜。康斯坦茨大学贝格曼研究小组通过对斑马鱼的研究,证明视黄酸是再生过程中必不可缺的物质。斑马鱼是肢体再生能力最强的动物之一,它的鳍、鳞和部分心脏都可以再生。贝格曼称这项成果是“一个巨大的成功”。多年来,科学家们一直不清楚视黄酸对断肢再生起到怎样的作用。经科学家研究,斑马鱼的鳍再生之前,伤口由多层组织封闭起来。断肢点下的细胞会失去自身的特性而形成胚基。研究人员发现,斑马鱼通过特殊的遗传机制,让视黄酸控制胚基形成,从而完成鳍的再生。视黄酸在动物、包括人体内由维生素A合成,可以激活再生所必要的基因。此前已有研究表明,妇女在怀孕期间未摄入足够维生素A可能会导致婴儿发育不全。目前这项研究成果尚无法应用到人类截肢再生治疗。

听觉修复

华盛顿大学西雅图一直在对斑马鱼进行研究,试图解决人类听力丧失的问题。和许多其他水生生物一样,斑马鱼在身体表面长有毛细胞。这些毛细胞的作用是探测水中的振动,其原理与人类内耳中的毛细胞相似。但是,与人类不同的是,斑马鱼的毛细胞在受损后还可以再生。研究人员希望他们的工作可以揭开谜底,保护人类的毛细胞免受损伤、并推动毛细胞的再生。另一组研究试图了解导致斑马鱼、鸟类和老鼠的毛细胞再生的基因和其他分子。有一项研究发现了一种似乎可以让动物毛细胞再生的发育蛋白。在研究中一名团队成员发现了小鸡的毛细胞受损后体内一种蛋白质的含量(小鸡的毛细胞可以再生)有所上升。参与这些实验的科学家们说使用药物防止听力丧失的临床实验有可能会在十年内实现。但是找到利用毛细胞再生治疗听力丧失的办法可能还需要至少20年的时间。

水质监测

斑马鱼的基因与人类基因相似度达到87%,这意味着在它身上得出的水质监测结果,多数情况下都适用于人类 。香港水务署研发生物感应预警系统,利用斑马鱼配合计算机和互联网作24小时监测和预警,并透过发光菌进行快速毒性检测,60分钟内可甄别逾1000种水中有害物质,每次成本亦只需50元港币。署方估计每年可节省200万元港币的开支 。在国内,例如深圳水务集团开天源公司研发的水质毒性监测系统RTB,也是利用斑马鱼的这一特点进行水质监测,该项研究成果已在深圳各水厂中广泛应用。

生物毒性试验

针对这个问题,近几十年,许多已经开始了应用水生生物进行水生环境毒性测试,他们通过这个测试来评估,特定的物质是否会对水生生物造成危害,以及侦测水质是否受到有毒物质的污染。在生物毒性试验中,最常见的就是以急性致死效应作为毒性终点 (toxicity endpoints),它通过观察生物在短时间内,暴露在不同浓度的毒性物质下的死亡率,来判断其毒性的强弱。在水生脊椎动物的急毒性试验当中,最常见的就是以鱼类为实验体进行测试,其中的斑马鱼就是经济合作暨发展组织 (OECD) 和美国环保署 (USEPA) 推荐使用于水生急毒性试验的鱼种 。

替代动物测试

虽然斑马鱼可以作为评估生理及生态的优良毒性指标,但近年,人道团体开始呼吁“人道科学”,提出避免使用活体进行毒物试验造成生物的痛苦。后来研究学者也鉴于斑马鱼胚胎诸多优点,开始以斑马鱼胚胎替代动物测试。按照欧盟动物保护法:鱼胚胎并不属于动物,而曾被国际科学家大力推荐用于替代动物测试。

绿色荧光蛋白在斑马鱼上表达

众多的种类当中,为什么选择斑马鱼作为代表呢?

斑马鱼之所以能够广泛应用在不同科学领域,这主要得益于它自身的多项优势:

1)斑马鱼个体小,成鱼大概 3 厘米——节省饲养和测试空间;
2)斑马鱼体外受精,体外发育——不受母体影响,便于测试;
3)斑马鱼胚胎时期不需要进食,依靠卵黄提供发展所需的能量——避免了喂食对测试造成的干扰;
4)斑马鱼发育速度快,从受精卵到孵化变成小鱼只需要 3 天时间(其胚胎 1 天发育相当于人类胚胎的 12 周(约 4 个月)),到成鱼只需 3-4个月时间——大大节约饲养成本及测试时间;
5)斑马鱼胚胎通体透明,显微镜下各器官组织清晰可见——便于毒理反应观察;
6)斑马鱼繁殖力强,一对斑马鱼一周可产 200-300 粒鱼卵——确保科学数据的统计正确性,且使得高通量测试成为可能。

2003年,美国已经把斑马鱼评定为及大鼠和小鼠之后第三重要模式生物。在我国,经过30多年的研究应用和系统发展,并陆续成立斑马鱼中心等机构,目前已有约20个斑马鱼品系,斑马鱼基因数据库里有相关的资料可供查询和下载,方便了更多科研项目的研究与发展。

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