斑馬魚技術基礎知識

模式生物斑馬魚研究歷史和現狀簡述

作為一種小型脊椎動物,來自喜馬拉雅山南麓的熱帶淡水魚斑馬魚(zebrafish,Danio rario)在國際上廣泛應用于發育生物學、醫學、藥物研發、環境檢測等領域,已經成為了繼大小鼠之后的第三大脊椎類模式生物。


一、斑馬魚基本特點:

原產地:熱帶淡水魚,原產于喜馬拉雅山南麓的印度、巴基斯坦、孟加拉和尼泊爾等南亞國家。成魚體長3-4cm,略呈紡錘形,頭小而稍尖,吻較短,身軀玲瓏而纖細,因其體側具有像斑馬一樣縱向的暗藍色與銀色相間的條紋而得名。

斑馬魚是體外受精發育,胚體透明。胚胎發育快,受精后3天左右孵化出膜,5天左右開口進食,約3個月達到性成熟,壽命可達2年以上。斑馬魚可常年產卵,繁殖周期3-4天,一對成年斑馬魚每次可產卵200-300枚,受精率通常在70%以上。養殖溫度一般在23-31℃,15℃左右仍可存活,最佳養殖溫度在25-28攝氏度之間,pH值在6.8~7.8,硬度在2~6之間。


二、斑馬魚作為模式生物的優勢

作為模式生物的斑馬魚具有以下優點:

A.具有與人類高度的相關性?;驕y序表明斑馬魚與人類基因同源性高達87%。斑馬魚在生理功能、免疫系統及生物信號傳導通路等方面具有與人類高度的相似性。因此,斑馬魚的安全性與功效測試結果具有較好的相關性和預測性。

B.實驗周期短、測試成本低。斑馬魚胚胎的發育速度非???,24小時的發育程度相當于哺乳動物8~10天的發育程度,被譽為“模式生物加速器”。通常從受試物在斑馬魚上進行暴露到完成測試僅需3天左右即可完成實驗,相當于哺乳動物4周左右的暴露實驗。

C.可以實現高通量篩選。斑馬魚繁殖速度快、產卵數量高,斑馬魚胚胎和幼魚個體較?。ㄍǔT?mm左右),可開展實驗室條件下大樣本的高通量篩選,這對于提升藥物、保健食品、化妝品等健康產品的研發效率具有積極重要意義。

D.符合實驗動物福利保護的國際“3R”原則。斑馬魚屬于非哺乳類脊椎動物,在實驗動物倫理方面的限制小。歐理事會關于動物實驗的相關指令《Council Directive 2010/63/EU》規定自主進食之前的魚類可不受動物實驗限制(受精后5天以內的斑馬魚胚胎和幼魚)


三、斑馬魚作為模式生物的起源和發展

1938年,美國布朗大學Roosen-Rung教授首次報道斑馬魚發育形態學研究成果。1950年代,美國羅格斯大學K. Kenneth Hisaoka教授首次報道斑馬魚毒理學研究成果。1972年,美國俄勒岡大學George Streisinge教授開始斑馬魚發育生物學研究和模式動物建立工作。1989年,美國俄勒岡大學Monte Westerfield教授出版斑馬魚研究圣經The Zebrafish Book第一版。1998年,斑馬魚國際資源中心(ZIRC)在俄勒岡大學成立;同年,全球第一家斑馬魚藥物研發服務外包公司成立。1999年,首個斑馬魚模式生物數據庫ZFIN也在俄勒岡大學成立(http://zfin.org)。2002年,英國桑格研究院發布了Tuebingen品系斑馬魚的初步基因組草圖(Zv1)。2009年,斑馬魚安全藥理學實驗通過了美國食品藥品監督管理局(FDA)和歐洲藥品管理局(EMA)的GLP認證。2011年,斑馬魚模型和技術研究被列入中國科技部“重大新藥創制”專項十二五實施計劃。2012年,中國國家斑馬魚資源中心成立。2020年,由中國24家研究機構的研究者聯合開展的“斑馬魚1號染色體全基因敲除計劃”(ZKO I計劃)成果發表,在國際上首次實現了脊椎動物整條染色體的系統性基因敲除。2020年12月,中國發布了《GB/T 39649-2020實驗動物 實驗魚質量控制》,對斑馬魚作為實驗動物的要求及質量控制進行了明確規定,為斑馬魚在更多產業的應用奠定了扎實的基礎。2022年,中國科學院水生生物研究所何舜平團隊2022年發布了最常用斑馬魚品系之一AB品系的參考基因組DrAB1。

基礎研究工作的開展推動了斑馬魚在各個方向的應用研究和推廣,斑馬魚的應用領域也從早期的環境毒理學研究拓展到了發育生物學、疾病模型研究、藥物研發、營養保健食品評價和化妝品檢測等領域。斑馬魚在中藥(天然藥物)和化妝品這兩大產業的應用更是豐富了斑馬魚的應用場景,賦予了斑馬魚新的使用價值。

對Pubmed數據庫的論文進行統計,結果顯示自1998年至2021年,斑馬魚相關的論文發表量呈持續明顯增長的趨勢。1998年發表的斑馬魚相關論文總數僅310篇,至2021年相關論文總數為4650篇,數量增長了約15倍。2021年,中國發表的斑馬魚研究論文數量全球占比已超過39%,成為全球斑馬魚研究第一大國。


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