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这种鱼竟然帮人类做药物研发

斑马鱼 

  在花鸟鱼虫市场常见到一种小手指大小的观赏鱼,体侧有5条延伸至尾部的水平蓝色条纹,因而得名斑马鱼。这种小型热带淡水鱼,原产于印度东部和孟加拉国。你可不要小看这种玲珑纤细的小鱼儿,它们竟然会帮人类筛选药物。 

  上世纪70年代末,美国俄勒冈大学的著名遗传学家G.Streisinger试图寻找一种适于研究脊椎动物早期胚胎发育的工具,他注意到了宠物商店里漂亮的斑马鱼。作为实验动物,斑马鱼有很多优势。它体型小,成鱼只有3-5厘米,实验成本低;四季产卵,又发育迅速,3个月即达性成熟;同时,斑马鱼的胚胎在母体外受精和发育,非常便于在显微镜下做细微观察或开展遗传操作。更有趣的是,斑马鱼的胚胎在早期是透明的,因此应用不同荧光蛋白作为标记可以对各组织器官的发育,甚至单细胞水平的生物学过程进行活体观察。 

用红色荧光蛋白标记肝脏和用绿色荧光蛋白标记胰脏的转基因斑马鱼活体胚胎 

  由于这些优点,斑马鱼旋即得到了众多生物学家的关注和青睐。上世纪90年代,诺贝尔医学生理学奖得主、德国马普研究所C.Nüsslein-Volhard教授将自己的研究兴趣从果蝇调整至斑马鱼,并与美国波士顿的发育生物学家M.FishmanW. Driever的研究小组合作,使用乙烷基亚硝基脲(ENU对斑马鱼基因组进行随机诱变,通过观察子代表型筛选出数千种斑马鱼基因突变品系。199612月,美国《发育生物学报》以专刊的形式,整期刊载了这次大规模筛选实验的研究成果,从此奠定了斑马鱼作为模式动物的坚实地位。 

  模式动物是指那些被生物科学领域广泛认同和使用、通过较深入的研究实现了标准化的实验动物物种。比起经典模式动物,例如果蝇和小鼠,斑马鱼成为模式动物的时间只有短短20多年,但这期间以斑马鱼为实验材料的研究发展最为迅速,研究体量扩展了近20倍。 

  随着斑马鱼全基因组测序的完成,研究人员对斑马鱼有了更深入的了解。斑马鱼基因组和人类基因组的相似度非常高,其中82%的人类疾病相关基因都可以在斑马鱼中找到同源基因。因此,斑马鱼又成为构建各种人类疾病模型的强大工具。例如,斑马鱼的很多组织器官包括尾鳍和心肌都具有很强的再生能力,如果用荧光蛋白对组织器官进行标记,就可以高效的观察到损伤修复在活体中进行的全过程,成为研究这一过程的最有力工具。有实验室就利用绿色荧光蛋白标记损伤修复过程中的关键因子——血液中的中性粒细胞,以此观察斑马鱼尾鳍损伤后,组织修复过程中免疫细胞的活动。 

  同时,由于斑马鱼胚胎很小,可以用数以千计的胚胎进行平行试验,进行高通量的药物筛选(同一时间平行检测大批量的候选药物),而用小鼠等试验动物是难以做到这一点的。人们把大量尾部损伤的小小斑马鱼胚胎放入96孔板内,用不同的药物处理,观察斑马鱼尾部修复情况的差异,对2000种化合物进行筛选,结果发现中药丹参中的有效成分丹参酮IIA对炎症后的组织再生有明显促进作用。 

 

针对损伤修复过程的斑马鱼药物筛选模型 

  左上图是3天龄的斑马鱼胚胎,其上星星点点的荧光信号是绿色荧光蛋白标记的中性粒细胞。由于胚胎很小,可以把每3个胚胎一组放入96孔板中,每个孔加入一种不同的药物进行处理。斑马鱼的尾部受损之后,中性粒细胞会在尾部聚集,观察到尾部一个突出的亮点。如果损伤修复过程顺利,这个信号就会很快消失。通过观察这一过程,可以对不同药物对损伤修复过程的作用做出判断。(图片引用自Robertson et al.,2014,略有修改) 

  中国的斑马鱼研究始于上世纪末,在近20年中发展迅猛,研究方向涉及遗传学、发育生物学、神经生物学、肿瘤学、再生生物学、鱼类生理学、水产育种学、环境生物学、毒理学、疾病模型构建和药物研发等方方面面。2001年至2016年,我国以斑马鱼为研究材料发表的科研论文总数占全世界同类文章的比重,由1.8%迅速提高到23.1%,已成为继美国之后的世界第二大斑马鱼研究大国。 

 

中国斑马鱼研究的迅猛发展 

  图中显示在Web of Science文献数据库中,检索全球斑马鱼研究论文及中国斑马鱼研究论文的情况。灰色部分显示全球斑马鱼论文的总量,黑色部分是中国斑马鱼研究论文的占比。从中可以看出,中国斑马鱼研究在全球论文总量的占比逐年增加。     

  

  顺应这种发展需要,在国家科技部和中国科学院的支持下,国家斑马鱼资源中心(ChinaZebrafish Resource Centerhttp://zfish.cn)于201210月在中国科学院水生生物研究所正式挂牌成立。中心的主要任务是收集、创制、保藏、分享斑马鱼转基因和突变品系等相关资源,为中国、亚洲乃至全球的斑马鱼研究领域提供斑马鱼资源和技术服务。经过近5年的建设,中心已成为国际学术界公认的全球三大斑马鱼资源库之一。 

  与其它经典的模式动物相比,斑马鱼的应用历史并不长,但斑马鱼研究领域的发展最为迅速,前景极为广阔。在全球范围内,系统开发和利用斑马鱼资源已经成为各国追逐的科研热点之一。我国的斑马鱼研究在近20年间已取得傲人成绩。对斑马鱼研究资源的开发、保藏和利用持续增加投入,将使我国在此领域进一步占领国际制高点,从而大大推动以斑马鱼为模式的生命、健康、环境、水产等领域的科学研究。