42 北方药学2012年第9卷第5期 新型模式生物斑马鱼及其胚胎在人类疾病模型研究中的应用△ 王晓伟 张红翠 安晓晶 王振华 (,特种植物药资源教育部重点实验室,石河子大学药学院石河子83200 ̄ 摘要:斑马鱼作为一种理想的模式动物在遗传学,发育生物学的研究中应用越来越广泛。由于斑马鱼具有容易获得,易于饲养, 生殖周期短.繁殖能力强等特点,且其基因组测序的完成及与人类的高度保守性,使得斑马鱼及其胚胎在关于人类疾病的研究 中有着重要的应用和实际价值。本文就斑马鱼及其胚胎在人类疾病研究中的应用作一简要概述。 关键词:模式生物斑马鱼疾病模型 中图分类号:Q75 文献标识码:A 文章编号:1672—8351(2012)05—0042—02 模式生物是生命科学研究的重要材料,斑马鱼(Danio re— 心肌病变,据此可建立斑马鱼心肌病变模型 ;人类Tbx5基因 no)及其胚胎因为具有众多的优点在生命科学研究中具有突 突变会造成心脏发育畸形,而斑马鱼的Tbx5突变同样会造成 出的地位,在近几年的研究中受到越来越多的重视和利用。 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 1981年,美国Oregon大学的著名遗传学家Streisinger等在 响,据此可建立斑马鱼心脏病模型l1Ol。崇梅㈣等人通过显微注 Nature上发表了第一篇有关斑马鱼的科研论文『】1,从而开启了 射发现,Tbx2基因沉默的斑马鱼胚胎在发育过程中会出现不 斑马鱼作为模式生物运用于生命科学的先河。斑马鱼现已被 同损伤程度的心脏发育障碍,证明Tbx2在心脏发育过程中起 广泛地应用于发育和遗传毒理学、医学、生物学、药物研发、环 着重要的作用。 境毒理学等研究领域脚。本文就斑马鱼及其胚胎应到人类相关 3.3眼部疾病 疾病的研究作一简要概述。 斑马鱼发育早期,眼部占脑部的1/2,成鱼对光照敏感,且 1斑马鱼及其胚胎在人类疾病研究中所具有的优势 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 作为模式生物,斑马鱼及其胚胎具有以下优点:①斑马鱼 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 亲鱼体形小,易于管理,极大地减少了饲养空间和管理成本; 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 ②斑马鱼雌鱼产卵量大,每次可产约300枚,实验用样本基数 素性视网膜炎和年龄相关性黄斑变性(AMD)疾病都可以引起 大,确保统计学意义;胚胎药物处理简单,需求量少;③胚胎体 眼部疾病,斑马鱼gnn基因突变的胚胎眼睛圆锥状细胞发育 外发育,发育周期短,从受精卵到仔鱼在正常条件下只需72h, 早期与AMD引起的眼部锥形细胞由于营养供给紊乱所造成 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 的眼部疾病相似,并且gnn胚胎突变体眼部细胞在后续的发 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 育与人色素性视网膜炎类似,因而斑马鱼的gnn胚胎突变体 位杂交技术和免疫组化技术。 可以应用到这两种疾病的发生发展机理的研究中㈣。 2斑马鱼及其胚胎用于人类相关疾病研究的技术及方法 3.4神经系统疾病 斑马鱼及其胚胎应用到研究中的有关技术越来越成熟, 帕金森氏病(PD)是脑部的黑质一纹状体的多巴胺能通路 如胚胎靶细胞标记技术、组织器官移植、胚胎单倍体培育、靶 受到损伤所致。化学毒性物质MPTP(1一甲基一1—4-苯基一 基因诱变、转基因、基因过表达、敲除及沉默技术、细胞克隆 l,2,3,6-四氢吡啶)可以造成与PD相似的现象。Mckinley等 等f1I3一。 ㈣研究人员通过对斑马鱼幼鱼进行MPTP染毒造成其多巴胺 斑马鱼及其胚胎作为人类相关疾病模型研究的方法主要 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 包括:①人类相关疾病模型的建立。常用的方法是正向和反向 型,研究者们发现L一塞利吉林(单氨氧化酶抑制物)及诺米芬 遗传法。②借助模型对化合物进行活性筛选。③相关作用机制 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 研究。 用。此外,斑马鱼体内的Phox2b(与神经脊疾病发生相关)和 3斑马鱼及其胚胎作为人类相关疾病模型的研究应用 Uch—L19(跟PD相关)基因与人类具有高度保守性,因而可以 斑马鱼及其胚胎的视觉及神经系统、组织器官等在基因 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 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 统疾病『】41。 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 阿尔茨海默病(AD)是大脑神经细胞大量死亡所导致。研 基因筛选嘲。 究发现,淀粉样蛋白尤其是B样淀粉蛋白的表达过量在AD 3.1造血系统疾病 病的发生发展中起着巨大的作用。AB(B样淀粉蛋白)由APP 斑马鱼发育早期透明,可直接观察血液系统的发生发展, (淀粉样前体蛋白)切割产生,其大小长度由 一分泌酶决定。科 如血液循环、心脏跳动。斑马鱼的造血系统包括红系、髓系、淋 研人员Canmpbel[ ̄等对AB产生有关的基因如Pen2、Psen1及 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 Phl等进行敲除,发现Pen2对依赖于p53的神经细胞存活具 相似悯。鉴于这些优点,斑马鱼成为了研究造血系统疾病研究 有重要影响。 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 除此,斑马鱼的感觉器官如嗅觉、听觉等大多分布在体 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 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 传的地中海贫血模型、斑马鱼Fe幼粒红细胞性贫血模型等 。 等神经功能进行相关测验 。 白血病是青少年最常见的一种恶性肿瘤。Langenau等 嘬 3.5血管生成 先建立了斑马鱼的白血病模型。研究者将来源于小鼠c—mye 在肿瘤、糖尿病、心脏病等疾病的进程中都伴随有血管新 基因与斑马鱼胚胎的Rag2基因融合,然后在此基因团的尾部 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 连接上发绿色荧光的GFP基因,再将c—mye—Rag2一GFP的融 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, 合体移人到斑体细胞中,使所有接受过基因移植的斑马鱼均 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 表达此基因,就此建立了斑马鱼白血病模型。 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 3.2心脏疾病 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 斑马鱼TNNT2基因的功能与人类相似,其突变都可导致 VEGF注射的斑马鱼胚胎,检测到其体内有明显的新生血管生 北方药学2012年第9卷第5期 43 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 T cell leukemia in transgenic zebrafish[J].Science,299(5608): 在肿瘤治疗领域可采用阻抑VEGF抑制新生血管形成及原有 887-890. 血管生长来达到治疗肿瘤作用旧。研究人员利用转基因斑马鱼 [9]Sehnetr M,Huq A,Weinstein BM,et a1.Cardiactoponin T 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 is essential in sarcomere assembly and cardiac contractility.Nat 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 Genet。2002。31(1):106一l10. 用可能与其具有血管生长抑制作用有关【l圈。 f10]Garrity DM,Childs S,Fishman MC.The heartstirngs muta— 3.6肿瘤 tion in zebrafish causes heart/ift Tbx5 deficiency syndrome『J1. 斑马鱼可以自发的产生肿瘤,其发生发展过程与人类极 Development,2002,129(19):4635—4645. 为相似,具有稳定遗传性,遗传背景相对简单,斑马鱼体内与 【11]崇梅,桂永浩,成璐,等.斑马鱼,rbx2基因阻抑先天性心脏病 肿瘤相关的基因与人类具有高度的保守性[19,201。 模型的建立与研究[J].中华医学杂志,2007,87(14):991-994. 在肿瘤的发生及发展过程中,细胞周期受到阻滞,遗 f12]Biehlmaier O,Neuhauss SC,Kohler K.Double cone dys ̄o— 传物质DNA的损伤修复功能受阻,因此在实际的治疗过程中 phy and RPE degeneration in the retina of t}le zebrafish gnn mu— 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 。 tant[3.Invest Ophthalmol Vis Sci,44(3):1287—1298. 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 [13]McKinley ET,Baranowski TC,Blavo DO,et a1.Neuropro— 胞,因而,其在关于细胞周期的研究中具有明显的优势阎。抑癌 tection of MPTP—induced toxicity in zebrafish dopaminergic neu— 基因p53对细胞的正常生长具有副调节作用,可以引起细胞 rons[3.Mol Brain Res.2005,141:128-37. 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 [14]Elworthy S,Pinto JV,Pettifer A,et a1.Phox2b function in 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 the enteric nervous system is conserved in zebrafish and is 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 soxl0一dependent[3.Mech Dev,2005,122(5):659~669. 域起到较好的疗效田。 【15]Campbell WA,Yang HW,Zetterberg H,et a1.Zebrafish 3.7免疫、感染疾病模型 lacking Alzheimer enhancer 2(Pen~2)demonstrate excessive 与^类所相似的是,先天性免疫和适应性免疫系统也都存 P53~dependent apoptosis and neutrla loss [J].Neurochem, 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 2006,96:1423—1440. 鱼及其胚胎可以应用到人类免疫系统相关的疾病研究中嘞。据 [16】邹苏琪,殷梧,杨昱鹏,等.斑马鱼行为学实验在神经科学中 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。 的应用[J].生物化学与生物物理学进展,2009,36(1):5-12. 综上所述,斑马鱼及其胚胎在人类相关的疾病研究中具 f17]Nicoli S,Ribatti D,Cotelli F,et a1.Mammalian tumor 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 xenografts induced neovascularization in zebrafish embryos【J]. 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 Cancer Res,2007,67:2927-293 1. 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 [18]He ZH,He MF,Ma SC,et a1.Anti-angiogenic effects of 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。 rhubarb and its anthraquinone derivatives[J】.J Ethnopharmacol, 参考文献 2009,121(2):313-317. 【1]Streisinger G,Walker C,Dower N,et a1.Pmducfion of 【19]Spitsbergen JM,Tsai HW,Reddy A,et a1.Neop!asia in ze— clones of homazygoos dip1oid zebrafish(Brachydanio refio)[33. br sh(Danio rerio)treated with 7,12一dimethylbenz fal an~ Nature,1981,291(5813):293—296. thracene by two exposure routes at diferent developmental stages [2]Zon LI,Petemon RT.In vivo dmg discovery in the zebrafish [J].Toxicol Pathol,2000,28(5):705—715. 【J].Nat Rev Drug Discov,2005,4(1):35—44. 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