斑馬魚為何成為最重要的模式生物之一

先了解一下什么是“模式生物”？

科學家通過對選定的生物物種進行科學研究，用于揭示某種具有普遍規律的生命現象，這種被選定的生物物種就是“模式生物”。如：線蟲、果蠅、斑馬魚、小鼠等。小鼠是由小家鼠演變而來。它廣泛分布于世界各地，經長期人工飼養選擇培育，已育成1000多近交系和獨立的遠交群。早在17世紀就有人用小鼠做實驗，現已成為使用量更大、研究最詳盡的哺乳類實驗動物。模式生物在推動生命科學發展中發揮著極其重要的作用，通過對模式生物的科學研究，進一步幫助人類從更深層次上認識生命的本質，更好地解決人口、健康和環境問題，已成為關系到人類生存和發展的重大問題。

關于“斑馬魚”

「斑馬魚」俗稱“花條魚”、“藍條魚”。魚綱，鯉科。是一種性情活潑、不怕冷的熱帶魚品種。體呈長菱形，身長約5厘米左右，尾部側扁。雌魚體較寬，腹部膨大，臀鰭淡黃色；雄魚體較窄，體黃色，背部橄欖色，從背部至尾部和臀鰭，上有數條深藍色條紋直達尾鰭，全身條紋似斑馬紋，因而得名。斑馬魚性情溫和，喜結群游動。一般6月齡性成熟。卵生。其繁殖力很強，產卵量高，成熟魚每隔幾天可產卵一次。繁殖周期約7天左右，一年可連續繁殖6～7次。斑馬魚的發育分為6個階段：卵裂期，囊胚期，原腸胚期、分裂期、成形期和孵化期。

綠色熒光蛋白和紅色熒光蛋白在斑馬魚上表達

斑馬魚盡管屬于淡水魚類，但是能夠耐受很大的鹽度范圍。斑馬魚原本是棲息在印度、巴基斯坦、孟加拉共和國、緬甸和尼泊爾等內陸水域的，但后來因為它本身色彩顯眼而且種類繁多，以至于被世界各地引進，成為水族館的淡水觀賞魚之一，在我國多地也均有養殖。斑馬魚和人類基因有著87%的高度同源性，作為模式生物的優勢很突出，這意味著其實驗結果大多數情況下適用于人體。同時具有繁殖能力強、體外受精和發育、胚胎透明、性成熟周期短、個體小易養殖等諸多特點，特別是可以進行大規模的正向基因飽和突變與篩選。這些特點使其成為功能基因組時代生命科學研究中重要的模式脊椎動物之一。目前，全球范圍內有超過1500個斑馬魚實驗室；在我國有250個以上的實驗室利用斑馬魚開展相關科學研究。

斑馬魚為什么是重要的模式生物之一

斑馬魚的細胞標記技術、組織移植技術、突變技術、單倍體育種技術、轉基因技術、基因活性抑制技術等已經成熟，且有數以千計的斑馬魚胚胎突變體，是研究胚胎發育分子機制的優良資源，有的還可做為人類疾病模型。因為斑馬魚的胚胎是透明的，所以生物學家很容易觀察到藥物對其體內器官的影響。此外，雌性斑馬魚可產卵200枚，胚胎在24小時內就可發育成形，這使得生物學家可以在同一代魚身上進行不同的實驗，進而研究病理演化過程并找到病因。在國際上，斑馬魚模式生物的使用正逐漸拓展和深入到生命體的多種系統（例如，神經系統、免疫系統、心血管系統、生殖系統等）的發育、功能和疾病（例如，神經退行性疾病、遺傳性心血管疾病、糖尿病等）的研究中，并已應用于小分子化合物的大規模新藥篩選。

斑馬魚的科研價值與貢獻

為盲人帶來福音

英國科學家發現，人類視網膜中細胞與斑馬魚相似，并計劃在5年內將研究結果用于失明患者治療，讓他們重見光明。這項研究僅在英國就能為成百上千名患者帶來希望。英國皇家盲人學會的安尼塔·萊特斯通說：學會對這一研究結果感到非常高興，這可能有助于治療因視網膜受損引起的失明。幫助大量疾病患者困擾。盡管手術治療已指日可待，但研究人員仍擔心，患者手術后會因移植他人細胞而產生排斥反應。研究人員說，如果能夠激活人類體內不具活性的放射狀膠質細胞，使它們自己分化為新的視網膜細胞，將是治療這類疾病的更佳辦法。利姆說：“我們下一階段將研究阻礙人類放射狀膠質細胞自我再生的因素，一旦找到原因，離最終方案就更近一步。”

肢體再生之謎

德國康斯坦茨大學科學家宣布，經過30年的研究，成功解開動物肢體再生之謎。康斯坦茨大學貝格曼研究小組通過對斑馬魚的研究，證明視黃酸是再生過程中必不可缺的物質。斑馬魚是肢體再生能力最強的動物之一，它的鰭、鱗和部分心臟都可以再生。貝格曼稱這項成果是“一個巨大的成功”。多年來，科學家們一直不清楚視黃酸對斷肢再生起到怎樣的作用。經科學家研究，斑馬魚的鰭再生之前，傷口由多層組織封閉起來。斷肢點下的細胞會失去自身的特性而形成胚基。研究人員發現，斑馬魚通過特殊的遺傳機制，讓視黃酸控制胚基形成，從而完成鰭的再生。視黃酸在動物、包括人體內由維生素A合成，可以激活再生所必要的基因。此前已有研究表明，婦女在懷孕期間未攝入足夠維生素A可能會導致嬰兒發育不全。目前這項研究成果尚無法應用到人類截肢再生治療。

聽覺修復

華盛頓大學西雅圖一直在對斑馬魚進行研究，試圖解決人類聽力喪失的問題。和許多其他水生生物一樣，斑馬魚在身體表面長有毛細胞。這些毛細胞的作用是探測水中的振動，其原理與人類內耳中的毛細胞相似。但是，與人類不同的是，斑馬魚的毛細胞在受損后還可以再生。研究人員希望他們的工作可以揭開謎底，保護人類的毛細胞免受損傷、并推動毛細胞的再生。另一組研究試圖了解導致斑馬魚、鳥類和老鼠的毛細胞再生的基因和其他分子。有一項研究發現了一種似乎可以讓動物毛細胞再生的發育蛋白。在研究中一名團隊成員發現了小雞的毛細胞受損后體內一種蛋白質的含量（小雞的毛細胞可以再生）有所上升。參與這些實驗的科學家們說使用藥物防止聽力喪失的臨床實驗有可能會在十年內實現。但是找到利用毛細胞再生治療聽力喪失的辦法可能還需要至少20年的時間。

水質監測

斑馬魚的基因與人類基因相似度達到87%，這意味著在它身上得出的水質監測結果，多數情況下都適用于人類 。香港水務署研發生物感應預警系統，利用斑馬魚配合計算機和互聯網作24小時監測和預警，并透過發光菌進行快速毒性檢測，60分鐘內可甄別逾1000種水中有害物質，每次成本亦只需50元港幣。署方估計每年可節省200萬元港幣的開支 。在國內，例如深圳水務集團開天源公司研發的水質毒性監測系統RTB，也是利用斑馬魚的這一特點進行水質監測，該項研究成果已在深圳各水廠中廣泛應用。

生物毒性試驗

針對這個問題，近幾十年，許多已經開始了應用水生生物進行水生環境毒性測試，他們通過這個測試來評估，特定的物質是否會對水生生物造成危害，以及偵測水質是否受到有毒物質的污染。在生物毒性試驗中，最常見的就是以急性致死效應作為毒性終點 (toxicity endpoints)，它通過觀察生物在短時間內，暴露在不同濃度的毒性物質下的死亡率，來判斷其毒性的強弱。在水生脊椎動物的急毒性試驗當中，最常見的就是以魚類為實驗體進行測試，其中的斑馬魚就是經濟合作暨發展組織 (OECD) 和美國環保署 (USEPA) 推薦使用于水生急毒性試驗的魚種 。

替代動物測試

雖然斑馬魚可以作為評估生理及生態的優良毒性指標，但近年，人道團體開始呼吁“人道科學”，提出避免使用活體進行毒物試驗造成生物的痛苦。后來研究學者也鑒于斑馬魚胚胎諸多優點，開始以斑馬魚胚胎替代動物測試。按照歐盟動物保護法：魚胚胎并不屬于動物，而曾被國際科學家大力推薦用于替代動物測試。

眾多的種類當中，為什么選擇斑馬魚作為代表呢？

斑馬魚之所以能夠廣泛應用在不同科學領域，這主要得益于它自身的多項優勢：

1）斑馬魚個體小，成魚大概 3 厘米——節省飼養和測試空間；
2）斑馬魚體外受精，體外發育——不受母體影響，便于測試；
3）斑馬魚胚胎時期不需要進食，依靠卵黃提供發展所需的能量——避免了喂食對測試造成的干擾；
4）斑馬魚發育速度快，從受精卵到孵化變成小魚只需要 3 天時間（其胚胎 1 天發育相當于人類胚胎的 12 周（約 4 個月）），到成魚只需 3-4個月時間——大大節約飼養成本及測試時間；
5）斑馬魚胚胎通體透明，顯微鏡下各器官組織清晰可見——便于毒理反應觀察；
6）斑馬魚繁殖力強，一對斑馬魚一周可產 200-300 粒魚卵——確保科學數據的統計正確性，且使得高通量測試成為可能。

2003年，美國已經把斑馬魚評定為及大鼠和小鼠之后第三重要模式生物。在我國，經過30多年的研究應用和系統發展，并陸續成立斑馬魚中心等機構，目前已有約20個斑馬魚品系，斑馬魚基因數據庫里有相關的資料可供查詢和下載，方便了更多科研項目的研究與發展。

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