实验模式动物斑马鱼左正宏总结

发育
chokh/rx3基因突变导致的眼睛缺失
EMBO reports 4, 894–899 (2003)
chokh 基因突变的恢复
EMBO reports 4, 894–899 (2003)
斑马鱼眼部突变分类
SCIENCE VOL 295 18 JANUARY 2002
突变导致的异常
SCIENCE VOL 295 18 JANUARY 2002
providing ample resources for “forward genetic screens”
Why Fish?
青鳉 （Medaka）
第三部分
Current Research on Zebrafish
• 发育 Development • 再生 Regeneration • 疾病 Disease • 在体药物研究 In vivo drug discovery
国内发展概况
国家斑马鱼资源中心
斑马鱼基本特性
• 产于热带印度，孟加拉国。 • 成鱼体长4～6厘米。体呈纺锤形。雌雄易
区分。 • 性情温和，对水温水质要求不高，易饲养。 • 属卵生鱼类 ，4月龄进入性成熟期。繁殖期
约7天左右。产卵量高，繁殖力很强 。 • 体外受精，胚胎透明，在24小时内就可发
Regeneration of ventricular myocardium in the resected zebrafish heart
13 DECEMBER 2002 VOL 298 SCIENCE
心脏修复伴随心肌细胞再生
Cardiomyocyte proliferation accompanies zebrafish heart regeneration
Science 264, 1994
斑马鱼作为模式动物的优点 Why Fish?
• The scientific value of the zebrafish lies in its position on the evolutionary ladder. As a vertebrate, the zebrafish is several rungs closer to humans than are fruit flies (Drosophila) or worms (Caenorhabditis elegans), yet the fish is also much more malleable than most mammalian animal models.
• 鼠 mouse
Saccharomyces cerevisiae 酿酒酵母
真菌界的单细胞真核生物，有16个染色体 它的全基因组已在1996年测定。
Caenorhabditis elegans 线虫
细胞数目一定：成虫细胞数目只有959个，其中包括302 个神经元；有6条染色体，全基因组于1998年测定，长 9.7Mb。
斑马鱼信息：http://www.zfin.org
Charles Kimmel
斑马鱼作为模式动物逐渐受到关注 Turn Eyes to Fish
• Christiane Nüsslein-Volhard
Wolfgang Driever
• 1995 诺贝尔奖生理医学奖获得者（果蝇的发育研究）
was able to identify and classify a small number of genes that are of key importance in determining the body plan and the formation of body segments, turned eyes to fish and find a wide range of mutations
实验模式动物—斑马鱼
左正宏
• 斑马鱼概况 • 斑马鱼作为模式生物的优点 • 斑马鱼的研究现状 • 本课题组利用斑马鱼开展的研究工作
第一部分
概况
• 上个世纪70年代早期，斑马鱼仅在一个研 究中心被详细研究：在位于Eugene 的 俄勒 冈大学， Charles Kimmel 及其同事开始将 斑马鱼作为研究发育的动物模型，并探索 其作用。
7 days
发育
斑马鱼的骨骼发育
缺少chordin表达的斑 马鱼的BMP蛋白水平 异常，鳍和尾部骨架 也异常—注射chordin mRNA后可恢复。因 此研究者使用斑马鱼 的这项特性来进行基 因筛查，以确定脊椎 动物骨骼形成的调节 机制。
—Rik Derynck
Nature Genetics ,1999
突触发生的活体影像观察 Synaptogenesis imaged in vivo
miRNA expression in zebrafish embryonic development
Science, 2005
再生
斑马鱼的心脏再生 Heart Regeneration in Zebrafish
• Reverse Genetics: including target lesion
detection; transgenesis; lineage tracing with fluorescent proteins.
疾病模型2：肾功能紊乱
• 斑马鱼肾脏发育和功能的许多方面与高级 脊椎动物类似，因此提供了简单易理解的 研究体系。已确定十八个隐性突变影响了 斑马鱼原肾的发育，主要是肾小球和管囊 的形成。
• 斑马鱼的Mps1 mitotic checkpoint kinase是 一个至关重要的细胞周期调节因子，如发生 突变，则斑马鱼的心脏不能被修复而形成 疤痕。因此，损伤诱导的斑马鱼心肌细胞 增殖可以克服疤痕形成，使心肌再生。这 个发现表明斑马鱼在分析心脏再生的分子 机制方面起重要作用。
心脏切除后心室肌的再生
心血管系统发育 Development of Zebrafish Vascular System
Nature Medicine, 1995
Development of Zebrafish Vascular System
28 hours 1.5 days
2 days 2.5 days
3 days
3.5 days 4.5 days 5 days 6 days
第二部分
斑马鱼作为模式动物的优点
Why Fish?
几种最常用的模式动物 (Model Organism)
• 酵母菌 yeast • 蠕虫 worm (Caenorhabditis elegans) • 果蝇 fruit fly (Drosophila) • 鱼---斑马鱼 zebrafish (Danio rerio) • 爪蟾 frog ( xenopus laevis )
Fin and skeletal defects of dintt250 homozygous mutants
nature genetics • volume 23 • december 1999
发育
器官发生: 心脏和血液形成
• 大多数脊椎动物的器官形状相似，因 此，斑马鱼器官形成的有关基因也有 可能与人类相似。
人类疾病模型
• 癌症 Cancer • 造血紊乱 Hematopoietic disorders • 心血管疾病 Cardiovascular disorders • 肾功能紊乱 Kidney disorders • 其他器官疾病 Other organs
疾病
疾病模型1：癌症
• 鱼类的癌症发生很常见，这一现象可能与 水源中的致癌物有关。而鱼类所有系统中 均能发生各种良性和恶性肿瘤的特性，在 组织学特性上和人类肿瘤很相似。
育成形， 2~3天孵出仔鱼 。
斑马鱼的繁殖
♀
♂
雄鱼体修长，鳍大，体色偏黄，臀鳍呈棕黄色，条纹显著
斑马鱼胚胎早期发育图谱
Zebrafish: Development
Pascal Haffter et al. Development, 1996, 123, 1-36
普通热带斑马鱼是不发荧 光的
能 发 斑荧 马光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ鱼的 热 带
Drosophila melanogaster 果蝇
繁殖很快、容易诱发变异的小昆虫。总长达1.8亿核苷酸。
xenopus laevis 爪蟾
Mus musculus 小鼠
基因组大小与人类相近，约30亿个核苷酸对，有19条染色体。
• “For more than a decade, vertebrate developmental biologists have watched with fascination as the mysteries of early embryonic development were unraveled in the fruit fly Drosophila……,None of established vertebrate model share Drosophila’s virtues of breeding prolifically and producing readily observable embryos…”
• 人类基因组序列与即将完成的斑马鱼的基 因序列的差异可用来证明细胞周期基因、 肿瘤抑制基因及致癌基因的保守性。
人类和斑马鱼胆管癌的组织学相似性
CANCER CELL : APRIL 2002
人类和斑马鱼腺癌的组织学相似性
NATURE REVIEWS Cancer 2003, 3:1-7
斑马鱼体系复制癌症模型的优点
• hardiness, small size, and brief life span • zebrafish eggs are transparent ——allowing direct
visualization of the embryo. • A single fish lays hundreds of eggs at a time,
SCIENCE VOL 295 18 JANUARY 2002
器官形成模式图解
脊椎动物器官形成比较
SCIENCE VOL 295 18 JANUARY 2002
影响心脏各阶段发育的基因突变
影响血液各阶段发育的基因突变
SCIENCE VOL 295 18 JANUARY 2002
突变对心脏发育的影响
无疤痕修复需要心肌细胞增殖
Cardiomyocyte proliferation is required for scarless regeneration
使用斑马鱼进行人类疾病的研究
• 大规模的基因筛查已经取得了巨大的成就， 确定了早期发育中的五百多个突变表现型。 许多基因筛查中确定的斑马鱼的突变表型， 为人类相应的病理生理学过程的研究提供 了有效的途径。
•
Studies of Musculoskeletal and Skin Developmental Diseases
•
Zebrafish and Cancer Research
The mutant miles apart affects the developing heart (mil, arrow). The cloche mutant has no blood or endothelium.
突触形成的在体影像观察
Synaptogenesis imaged in vivo
• 快速基因筛查可针对这些高度保守的癌症 通路
• 一旦发现癌症有关变异，可通过增强/抑制 性筛查确定相互影响的基因
• 斑马鱼系统易于进行化学遗传性筛查
影响癌症生物学研究的斑马鱼体系 的特性
• Forward Genetics: making a mutation
and then find the gene; including ENU mutagenesis, insertional mutagenesis
• 已证明几种突变与人类常染色体显性多囊 肾疾病(ADPKD)有关。
疾病模型3: 贫血
Sir mutant erythrocytes have a defect in haemoglobin production
Grx5 is responsible for the sir phenotype
斑马鱼模型的特殊应用