发育生物学模式动物

发育生物学近年来研究进展

———模式动物

摘要：

随着科学技术水平的不断发展，在生命科学、人类医药和健康研究领域，由于一些原因，人们必须寻找一类用作研究的实验动物，通过相互参照，可以用一种动物的生命活动过程成为另一种动物或者人类的参照物。对一些难以在人身上进行的工作, 及一些数量很少的珍稀动物, 或一些因体型庞大、不易实施操作的动物种类, 采用取材容易、操作简便的另一种动物来代替人类或原来的目标动物进行实验研究, 这就是动物实验。为了保证这些动物实验更科学、准确和重复性好, 可以用各种方法把一些需要研究的生理或病理活动相对稳定地显现在标准化的实验动物身上,供实验研究之用。这些标准化的实验动物就称之为模式动物。

关键词：斑马鱼；猪；基因；表达；

通过发育生物学及相关学科的学习，我们了解到了模式动物在生命科学的发展历程中起到了可以说是举足轻重的作用，比如说通过海胆等低等动物模型的构建催生出现代受精生物学和发育生物学；又比如像果蝇模型的建立大大推进了遗传学和发育生物学的进展；酵母和大肠杆菌作为生物模型为现代分子生物学和基因工程技术提供了施展的舞台，线虫模型对基础和应用生物学产生了巨大的推动作用, 并直接导致了细胞凋亡现象的发现, 并开创了一个当代生物医学的全新领域。这些研究成果已经充分证明了模式动物在生命科学研究中的作用。通过查阅近几年来人们关于模式动物的研究进展，我总结了以下几点近几年来关于模式动物上的具有典型性的突破，仅供大家参考。

一、关于斑马鱼的研究

1.Pitx2基因在斑马鱼牙齿发育过程中早期表达的研究

人类Pitx2基因与常染色体显性疾病里格尔综合征的发生有关联, 可导致牙齿和

眼睛的缺陷。斑马鱼的牙齿和人类的牙齿有很多相似之处, 其牙齿位于腮弓之上, 牙齿发育可明确分为蕾状期、帽状期、钟状期和分泌期等各个阶段, 这些特点使得利用斑马鱼作为模式动物研究牙发育和牙再生具有较大优势。

经调查发现，小鼠的牙成型之前, Pitx2基因在整个牙齿发育过程中在成牙上皮中持续表达, 在牙发育的过程中伴有至关重要的角色。而斑马鱼被公认是一种理想的研究器官发育分子生物学机制的模式动物。科学家在对小鼠的胚胎发育研究中发现, Pitx2基因活性的缺失会导致Fgf 8在牙上皮中的向下调节, 也就是说P itx2和Fgf8之间存在正向的反馈回路, 同时Pitx2还是Bmp4信号通路的一个受体。Pitx2敲除的小鼠牙齿发育中断于蕾状期。还有研究发现牙齿的发育与P itx2的量有密切的关系。

实验结果显示, P itx2基因在人发育中的牙胚的表达模式与在小鼠中类似。不论是切牙还是前磨牙, Pitx2基因的表达都只能在牙上皮的蕾状期后期、帽状期和钟状期检测到。在分化良好的牙,Pitx2基因的表达受到成釉细胞的限制。这些结果显示, P itx2基因在人类牙齿牙上皮的发育过程和釉质分化过程中起一定作用[1]。

另一方面，为研究Pitx2基因在斑马鱼牙齿早期发育阶段的表达，本实验利用RT - PCR技术直接克隆P itx2特异性基因片段, 成功制作出针对P itx2的基因探针, 并选取斑马鱼发育早期多个时段的胚胎进行整胚原位杂交，获得P itx2基因在斑马鱼早期发育阶段的表达情况。这对于人们对Pitx2基因的研究更进一步。

2.斑马鱼及其胚胎在毒理学研究中的应用

斑马鱼除了在发育生物学和分子遗传学中已得到广泛应用, 但近几年来它在毒理学中的应用也逐渐被人们发觉。为了鉴定外源物质的毒性, 我们需要分析斑马鱼毒理学终点和外源化学物质剂量的相关性, 通过确定其毒物作用动力学, 从而阐明其毒理学机制。

目前，斑马鱼胚胎的许多特征吸引了毒理学家的研究兴趣, 尤其是胚胎的透明性及体外发育的特点使我们比较容易地评价胚胎毒性及畸形效应。现阶段，研究人员主要就急性毒理表型分析、转录组水平分析、蛋白质组学分析这3方面来评价化合物对斑马鱼胚胎影响,在德国,斑马鱼胚胎已经作为水质检测的标准模式生物, 代了传统上用成鱼进行的毒理学试验。

就拿蛋白质组水平为例，蛋白质组的试验方法更为复杂，得到稳定的全蛋白之后, 需要结合双向聚丙烯酰胺凝胶电泳、软件的自动分析及质谱技术来进行分析。在斑马鱼胚胎蛋白质组学研究中一个有突破意义的进展是L ink等[2]建立了一个详细的试验操作指南, 包括斑马鱼早期胚胎卵黄蛋白的去除, 斑马鱼胚胎全蛋白的提取等, 依此可得到高分辨率的双向电泳图谱。结合转录组和蛋白质组技术, 人们在分子水平上会对一个生物有机体(或一个器官)如何应对外界毒物刺激有一个整体印象。和成年哺乳动物相比, 正在发育中组织的蛋白质组分析, 呈现出了整个生物系统的变化, 包括生理学、形态学等等。人们预期, 这种可变性能很好地在分子水平上反映出发育中的斑马鱼胚胎在毒理蛋白质组学中的应用。Shi等[3]研究发现在暴露于于0.5mg /L PFOS 发育192h的斑马鱼胚胎中, 利用蛋白质双向电泳和质谱技术, 鉴定了69个差异表达量超过2 倍的蛋白, 通过质谱技术鉴定了18个蛋白。这些蛋白参与了细胞多种生命过程, 包括能量代谢、脂质代谢、信号转导及细胞凋亡等。进一步证实了在斑马鱼胚胎中, 利用蛋白质组技术分析环境中有毒物质毒理机制的可行性。

3.斑马鱼在人类疾病研究中的应用

通过查阅相关资料我们了解到，斑马鱼的神经中枢系统、内脏器官、血液以及视觉系统, 在基因水平上87%与人类同源, 早期发育与人类极为相似, 已成为研究相关疾病基因的最佳模式生物。在国际上, 斑马鱼模式生物的使用正逐渐拓展和深入生命体的多种系统的发育、功能和疾病的研究中, 并已用于小分子化合物的规模新药筛选。

●阿尔茨海默氏

阿尔茨海默氏( AD) 是一种由于大脑神经细胞死亡而造成的神经退行性疾病。曾有人研究了过量表达Aβ与神经退行性病变的关系。Aβ由APP 连续性切割产生, 由γ- 分泌酶介导的最后一次酶切来决定其长度, 参与这次酶切主要有早老素复合物、早老素增强子( pen- 2)和前咽缺陷子( Aph- 1 ) 等。Campbell等[ 4]在斑马鱼上使用反义morpholino(MO )对斑马鱼的Pen- 2、Psen1和Ph- 1基因的表达进行敲除,发现Pen- 2和P53依赖型神经细胞的存活有重要作用。Lee和Co le[ 5] 采用绿色荧光蛋白( green fluorescent prote in, GFP) 标记和原位杂交技术对斑马鱼中编码APP的内源性基因appb进行了研究。他们构建的GFP转基因斑马鱼品系能够在胚胎脉管系统发育过程、大脑亚区和脊髓中表达APP, 并且在后期的发育中表达量增加。在2- 3个月龄的转基因斑马鱼的大脑中, 广泛大量表达GFP- APP。从另一个方面也证明了斑马鱼神经系统发育在进化上和人类的保守关系。

●肿瘤

肿瘤是造成人类死亡的主要原因之一,由于斑马鱼早期胚胎和发育过程中的身体是透明的, 可以在体外进行实时观测[ 5] ; 它可以自发产生肿瘤, 并且这些肿瘤与人类肿瘤非常相似。因此, 斑马鱼作为最有前途且最廉价的模式生物而被广泛的应用利用斑马鱼研究肿瘤的血管生成是在肿瘤研究方面倍受关注的研究方向。经研究发现: 免疫抑制剂麦考酚酸剂量依