【趣味模式生物】在家也能養的「水中小白鼠」——斑馬魚

01-28

在前幾次給大家介紹的包括線蟲、果蠅等模式動物優點雖然都很多，但是它們在用於人類疾病和發育研究中都有一個「致命傷」，那就是它們作為無脊椎動物，在基因結構、發育模式等都與人類有著不小的區別。

但是今天給大家介紹的這種模式動物則不一樣，這就是斑馬魚（Danio

rerio）。斑馬魚作為一種新型的脊椎模式動物，它與人類的基因相似度高達87%，因而可以利用其進行廣泛的發育生物學和分子發育遺傳學的研究，也正是它的突出貢獻，也得了一個別名：「水中小白鼠」。

斑馬魚又稱為藍條魚，因為其體表有暗藍色和銀色的類似於斑馬一樣的條紋而命名（關於斑馬魚的條紋後文還會細述）。斑馬魚屬於鯉科魚類，同屬鯉科的還有我們十分熟悉的鯉魚、鯽魚等。斑馬魚的體型較小，成魚體長約4-6厘米，而且成魚常年產卵且產卵量大，可達300-1000粒，還是體外受精並發育，因此十分適合進行實驗室的大規模養殖與篩選。

實驗室中養殖斑馬魚的裝置（The National Centre for the Replacement, Refinement

and Reduction of Animals in Research）

科研人員收集斑馬魚受精卵

斑馬魚的發育過程也很短，它在受精的0.75個小時後開始進行細胞分裂，至3.25個小時的時候已經分裂有上千個細胞了，在16個小時的時候開始分化出早期的心臟及尾巴結構，至24小時幾乎所有的系統都開始了器官發生，受精第5天所有的器官都已經建成並發揮作用，而性成熟為成魚也只需2-3個月。由於斑馬魚發育過程中胚胎透明，而且再加上這種快速的體外發育優勢，為科學家們研究早期器官發育和形態分化提供了極大的便利。

斑馬魚從受精卵至成魚的發育過程

儘管如此，這種原產於印度、孟加拉的淡水魚還是直到二十世紀七八十年代時才被發現可廣泛用於實驗室研究。當然，這還是美國著名遺傳學家George Streisinger的功勞。1994年在冷泉港召開的研究專題會議正式確立了斑馬魚的模式生物地位。不久後的2001年，英國桑格研究院正式立項開始斑馬魚全基因組的測序工作，不久之後其基因組草圖完成，但其質量仍暫時無法與人類和小鼠基因組相比。隨著參考基因組協會的加入，這一項目的主持單位也在定期更新著斑馬魚基因組的拼裝，目前的參考序列版本為2013年發布的GRCz10。當然，最新的GRCz11版本也馬上將於今年（2017年）發布。

斑馬魚全基因組的測序情況（http://www.sanger.ac.uksciencedatazebrafish-genome-project/）

如今，斑馬魚在藥物篩選以及各種疾病模型模擬、分子發育遺傳學等研究方面都有著極大的應用。比如說藥物篩選和疾病模型的話，因為斑馬魚與人類基因組的高度相似性，在人類中出現的2000多種疾病都能成功的模擬到斑馬魚身上，這其中就包括了像癌症、白血病、動脈粥樣硬化、帕金森病、阿爾茲海默症等等，這就意味著，當我們如果要進行上述這些病的藥物治療研究時，我們首先就可以在斑馬魚身上得到驗證。

另外，在這裡再跟大家簡單地說說斑馬魚在心血管疾病方面的研究。

我們都知道人類的心臟結構是由兩個心房和兩個心室構成的，左右心房和左右心室之間都有間隔隔開，確保兩邊的血液不會混合，心房和心室之間也有瓣膜相阻擋。但是斑馬魚則不一樣，斑馬魚的心臟只有一心房一心室。可能大家就會問，既然存在這麼大的不同，為什麼還能用來研究人類心血管疾病呢？

人類的心臟結構

斑馬魚的心臟結構

其實，我們人類的心臟並非一開始就是這樣子的，在受精卵18-19天的時候，會形成一個中空的管狀結構——心管，這就是我們心臟的原始結構。心管有三個膨大，心球、原始的心房和原始的心室。後來這個心管經過不斷的發育、扭曲變形，最終形成了我們現在心臟的四腔室結構。所以我們其實可以看出來，人類胚胎時期的心臟（心管）其實跟斑馬魚的心臟是十分類似的，而且除了結構之外，它們的早期發育過程更是非常相似，包括了前體細胞的出現、遷移、分化及心管的形成等。

人類心臟的發育過程，胚胎髮育的第21天左右出現B圖心管結構（Gedgaudas E, Moller JH, Castaneda-Zuniga

WR, Amplatz K. Embryology and anatomy of the heart. In Gedgaudas E, Moller JH,

Castaneda-Zuniga WR, Amplatz K [eds]. Cardiovascular Radiology. Philadelphia,

WB Saunders, 1985, pp 1-23）

儘管心臟發育是一系列複雜的形態建成和多基因調控的過程，但是如今，利用斑馬魚，再配合基因編輯技術等，科學家們已經闡明了多個在心臟早期發育過程中基因的調控作用，可以說應用前景十分廣闊。

除了應用於發育和疾病研究之外，斑馬魚本身的一些特性也能夠為我們的科學帶來不少的啟示。比如說，斑馬魚是肢體再生能力較強的動物之一，它的鰭、皮膚、鱗片、側線毛細胞，甚至於部分心臟及大腦在幼體期都可以再生，對斑馬魚肢體再生之謎的研究，將有助於應用到我們人類的器官及截肢再生上。

還有一點有趣的就是斑馬魚條紋的形成。

上文我們提到，斑馬魚（Zebrafish）之所以以「斑馬」（Zebra）來命名，是因為它的身體上有明暗相間的標誌性條紋。日本科學家在2013年的時候發現，當他們從斑馬魚的尾鰭和臀鰭中分理出兩種黑色素細胞和黃色素細胞後，這兩種細胞之間竟存在著某種「交流」：當黃色素細胞靠近接觸黑色素細胞時，黑色素細胞會因此而後退，企圖「跑掉」，但黃色素細胞會不斷對它「窮追不捨」；但是相同類型的色素細胞之間則沒有這種作用。而來自於那些條帶邊界模糊的突變體斑馬魚的色素細胞，則不會有這種「追逐」行為的產生，這也正是這些突變體斑馬魚條帶邊界中摻雜著兩種色素細胞而至邊界模糊的緣故。這項研究也將有助於解釋其它動物斑紋形成的原因。

斑馬魚（Hiroaki Yamanaka等，2013）

斑馬魚的條紋

從斑馬魚中分離的黃色素細胞和黑色素細胞（Hiroaki Yamanaka等，2013）

對於斑馬魚的研究還有很多很多，在這裡也只是給大家起了一個頭，畢竟「水中小白鼠」的稱號也不是白來的。對了，斑馬魚其實還是一種熱帶觀賞魚，大家有興趣也可以去水族店裡面找找，說不定就能找到斑馬魚的身影了呢！

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