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中國科學家用斑馬魚找出人類拉肚子的原因

http://finance.sina.com   2018年07月11日 19:18   北京新浪網

  來源:科學大院

  在人類疾病研究中,模式動物功不可沒,建立人類重大疾病(如腫瘤和心血管疾病等)的動物模型,對分析疾病的發病機制,解答特定人羣對某種疾病的易感性,及開發新型藥物開發有重要推動作用。尤其是與人類相似的哺乳類動物:小鼠、豬、猴……可是你知道嗎,利用斑馬魚也能研究人類疾病!

  北京時間7月6日17時,國際學術期刊Nature Communications(《自然-通訊》)在線發表中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院裴端卿和舒曉東研究團隊關於斑馬魚研究的最新成果“Deficiency in class III PI3-kinase confers postnatal lethality with IBD-like features in zebrafish”。該研究利用斑馬魚突變體模擬了人類炎症性腸病的部分表型,並且結合體外細胞3D培養結果解釋其發病機制。

圖1 Nature Communications 在線發表了相關論文(來源:https://www.nature.com/)圖1 Nature Communications 在線發表了相關論文(來源:https://www.nature.com/)

  什麼是炎症性腸病

  炎症性腸病(IBD)是一類消化系統產生的自身免疫性疾病的總稱,主要包括克羅恩氏病和潰瘍性腸炎等,患者主要集中在北美、北歐以及澳大利亞等西方國家。2016年,美國的炎症性腸病患者超過300萬,中國國內的發病率爲3.3/100,000,並且逐年升高。除了腹瀉、腹痛、貧血等症狀,大部分患者還遭受了嚴重的心理折磨。然而目前對IBD發病機理的研究尚處於探索階段。

圖2 西方國家 IBD發病率比較高(來源:The global burden of IBD: from 2015 to 2025)圖2 西方國家 IBD發病率比較高(來源:The global burden of IBD: from 2015 to 2025)

  人類疾病 爲啥要用魚來研究?

  斑馬魚是一種熱帶魚,身體細長而略呈紡錘形,頭小而稍尖,吻較短,全身佈滿多條深藍色縱紋,與銀白色或金黃色縱紋相間排列,由於其紋路比較有條理,在水族箱內成羣遊動時猶如奔馳於非洲草原的斑馬羣,故此得斑馬魚之美稱。

  與其他模式生物相比,斑馬魚用於疾病研究有極大的優勢:斑馬魚產卵量多、繁殖迅速、胚胎通體透明。斑馬魚基因和人類有着87%的高度同源性,這意味着其實驗結果大多數情況下適用於人體,被廣泛用於發育研究以及肝毒性藥物、抗炎症藥物等篩選。斑馬魚有很多熒光標記的轉基因品系,在熒光顯微鏡下可以很容易觀察到特定細胞的分佈,能夠更直觀地分析發育或病理缺陷。

圖3 斑馬魚(來源:維基百科)圖3 斑馬魚(來源:維基百科)

  用斑馬魚找出人類拉肚子的原因?

  斑馬魚腸道早期發育與高等動物類似,因此也是炎症性腸病研究的理想模型之一。本研究利用基因編輯技術獲得了兩種pik3c3突變品系斑馬魚。突變品系在受精後第8天,就會出現形體彎曲、腸腔變窄等現象,並且很快就死亡。

  通過進一步組織學、分子生物學以及電鏡檢測,研究人員確定了突變體中腸道炎症的基本表型,包括上皮細胞大量脫落、炎症因子表達升高以及免疫細胞在上皮組織聚集等。機理方面的研究表明,腸道炎症反應的激活不是微生物以及外界環境所引起的,而是腸道上皮細胞自主性損傷從而招募大量的中性粒細胞所導致的,這是與已知的斑馬魚腸道炎症模型的最大區別。

圖4 突變體腸道上皮細胞結構紊亂,有細胞脫落(來源:Deficiency in class III PI3-kinase confers postnatal lethality with IBD-like features in zebrafish)  圖4 突變體腸道上皮細胞結構紊亂,有細胞脫落(來源:Deficiency in class III PI3-kinase confers postnatal lethality with IBD-like features in zebrafish)
圖5 綠色熒光標記的中性粒細胞在突變體腸道上皮聚集(來源:Deficiency in class III PI3-kinase confers postnatal lethality with IBD-like features in zebrafish)  圖5 綠色熒光標記的中性粒細胞在突變體腸道上皮聚集(來源:Deficiency in class III PI3-kinase confers postnatal lethality with IBD-like features in zebrafish)

  爲了確定突變體致死的根本原因是否是免疫系統的缺陷,科研人員決定在培養皿中研究“乾淨的腸道”。Caco2細胞系來源於人類結腸癌,當在培養皿底部鋪一層基質膠Matrigel時,5天以後就能形成類似腸腔的“甜甜圈”結構。在該體系下抑制PIK3C3基因的表達,也會導致細胞連接的破壞。體外模型進一步證明,上皮結構的破壞是上皮細胞自主性的。

圖6 PI3P缺失導致上皮細胞連接破壞,最終招募中性粒細胞,發生急性炎症(來源:Deficiency in class III PI3-kinase confers postnatal lethality with IBD-like features in zebrafish)  圖6 PI3P缺失導致上皮細胞連接破壞,最終招募中性粒細胞,發生急性炎症(來源:Deficiency in class III PI3-kinase confers postnatal lethality with IBD-like features in zebrafish)

  研究團隊利用斑馬魚發現了多個囊泡運輸蛋白(主要爲SNX家族蛋白)在早期發育過程中的作用。而PIK3C3的催化產物磷酸肌醇 3-磷酸(PI3P)可以與SNX家族蛋白直接結合調控體內的囊泡運輸等過程。本研究既揭示了PI3P在腸道疾病方面的重要作用,同時也證明了囊泡運輸體系對機體發育及維持的影響。

  展望

  本研究既完善了磷酸肌醇(PI)代謝產物在腸道炎症方面的作用,也爲炎症性腸病的藥物篩選提供了新的平臺。目前,僅有部分藥物能夠緩解炎症性腸病的症狀,使得患者進入緩解期。本研究中的腸道自主性炎症模型對藥物靶點的篩選具有推動作用。

  廣州生物院-中國科學技術大學聯合培養博士生趙紹陽和廣州生物院夏建紅爲論文共同第一作者,裴端卿研究員和舒曉東研究員爲通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金、國家重大科學研究計劃、中國科學院戰略性先導科技專項及廣東省科技計劃項目等經費資助。

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