中國(guó)科學(xué)家用斑馬魚(yú)找出人類(lèi)拉肚子的原因

作者：趙紹陽(yáng)（中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院）

文章來(lái)源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

在人類(lèi)疾病研究中，模式動(dòng)物功不可沒(méi)，建立人類(lèi)重大疾?。ㄈ缒[瘤和心血管疾病等）的動(dòng)物模型，對(duì)分析疾病的發(fā)病機(jī)制，解答特定人群對(duì)某種疾病的易感性，及開(kāi)發(fā)新型藥物開(kāi)發(fā)有重要推動(dòng)作用。尤其是與人類(lèi)相似的哺乳類(lèi)動(dòng)物：小鼠、豬、猴……可是你知道嗎，利用斑馬魚(yú)也能研究人類(lèi)疾病！

北京時(shí)間7月6日17時(shí)，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications（《自然-通訊》）在線發(fā)表中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院裴端卿和舒曉東研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于斑馬魚(yú)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(yú)突變體模擬了人類(lèi)炎癥性腸病的部分表型，并且結(jié)合體外細(xì)胞3D培養(yǎng)結(jié)果解釋其發(fā)病機(jī)制。（論文鏈接請(qǐng)點(diǎn)擊“閱讀原文”）

圖1 Nature Communications 在線發(fā)表了相關(guān)論文（來(lái)源：https://www.nature.com/）

什么是炎癥性腸病

炎癥性腸?。↖BD）是一類(lèi)消化系統(tǒng)產(chǎn)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(guó)家。2016年，美國(guó)的炎癥性腸病患者超過(guò)300萬(wàn)，中國(guó)國(guó)內(nèi)的發(fā)病率為3.3/100,000，并且逐年升高。除了腹瀉、腹痛、貧血等癥狀，大部分患者還遭受了嚴(yán)重的心理折磨。然而目前對(duì)IBD發(fā)病機(jī)理的研究尚處于探索階段。

人類(lèi)疾病 為啥要用魚(yú)來(lái)研究？

斑馬魚(yú)是一種熱帶魚(yú)，身體細(xì)長(zhǎng)而略呈紡錘形，頭小而稍尖，吻較短，全身布滿多條深藍(lán)色縱紋，與銀白色或金黃色縱紋相間排列，由于其紋路比較有條理，在水族箱內(nèi)成群游動(dòng)時(shí)猶如奔馳于非洲草原的斑馬群，故此得斑馬魚(yú)之美稱。

與其他模式生物相比，斑馬魚(yú)用于疾病研究有極大的優(yōu)勢(shì)：斑馬魚(yú)產(chǎn)卵量多、繁殖迅速、胚胎通體透明。斑馬魚(yú)基因和人類(lèi)有著87%的高度同源性，這意味著其實(shí)驗(yàn)結(jié)果大多數(shù)情況下適用于人體，被廣泛用于發(fā)育研究以及肝毒性藥物、抗炎癥藥物等篩選。斑馬魚(yú)有很多熒光標(biāo)記的轉(zhuǎn)基因品系，在熒光顯微鏡下可以很容易觀察到特定細(xì)胞的分布，能夠更直觀地分析發(fā)育或病理缺陷。

圖3 斑馬魚(yú)（來(lái)源：維基百科）

用斑馬魚(yú)找出人類(lèi)拉肚子的原因？

斑馬魚(yú)腸道早期發(fā)育與高等動(dòng)物類(lèi)似，因此也是炎癥性腸病研究的理想模型之一。本研究利用基因編輯技術(shù)獲得了兩種pik3c3突變品系斑馬魚(yú)。突變品系在受精后第8天，就會(huì)出現(xiàn)形體彎曲、腸腔變窄等現(xiàn)象，并且很快就死亡。

通過(guò)進(jìn)一步組織學(xué)、分子生物學(xué)以及電鏡檢測(cè)，研究人員確定了突變體中腸道炎癥的基本表型，包括上皮細(xì)胞大量脫落、炎癥因子表達(dá)升高以及免疫細(xì)胞在上皮組織聚集等。機(jī)理方面的研究表明，腸道炎癥反應(yīng)的激活不是微生物以及外界環(huán)境所引起的，而是腸道上皮細(xì)胞自主性損傷從而招募大量的中性粒細(xì)胞所導(dǎo)致的，這是與已知的斑馬魚(yú)腸道炎癥模型的最大區(qū)別。

圖4 突變體腸道上皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)紊亂，有細(xì)胞脫落（來(lái)源：Deficiency in class III PI3-kinase confers postnatal lethality with IBD-like features in zebrafish）

圖5 綠色熒光標(biāo)記的中性粒細(xì)胞在突變體腸道上皮聚集（來(lái)源：Deficiency in class III PI3-kinase confers postnatal lethality with IBD-like features in zebrafish）

為了確定突變體致死的根本原因是否是免疫系統(tǒng)的缺陷，科研人員決定在培養(yǎng)皿中研究“干凈的腸道”。Caco2細(xì)胞系來(lái)源于人類(lèi)結(jié)腸癌，當(dāng)在培養(yǎng)皿底部鋪一層基質(zhì)膠Matrigel時(shí)，5天以后就能形成類(lèi)似腸腔的“甜甜圈”結(jié)構(gòu)。在該體系下抑制PIK3C3基因的表達(dá)，也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞連接的破壞。體外模型進(jìn)一步證明，上皮結(jié)構(gòu)的破壞是上皮細(xì)胞自主性的。

圖6 PI3P缺失導(dǎo)致上皮細(xì)胞連接破壞，最終招募中性粒細(xì)胞，發(fā)生急性炎癥（來(lái)源：Deficiency in class III PI3-kinase confers postnatal lethality with IBD-like features in zebrafish）

研究團(tuán)隊(duì)利用斑馬魚(yú)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)囊泡運(yùn)輸?shù)鞍祝ㄖ饕獮镾NX家族蛋白）在早期發(fā)育過(guò)程中的作用。而PIK3C3的催化產(chǎn)物磷酸肌醇 3-磷酸（PI3P）可以與SNX家族蛋白直接結(jié)合調(diào)控體內(nèi)的囊泡運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程。本研究既揭示了PI3P在腸道疾病方面的重要作用，同時(shí)也證明了囊泡運(yùn)輸體系對(duì)機(jī)體發(fā)育及維持的影響。

展望

本研究既完善了磷酸肌醇（PI）代謝產(chǎn)物在腸道炎癥方面的作用，也為炎癥性腸病的藥物篩選提供了新的平臺(tái)。目前，僅有部分藥物能夠緩解炎癥性腸病的癥狀，使得患者進(jìn)入緩解期。本研究中的腸道自主性炎癥模型對(duì)藥物靶點(diǎn)的篩選具有推動(dòng)作用。

廣州生物院-中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生趙紹陽(yáng)和廣州生物院夏建紅為論文共同第一作者，裴端卿研究員和舒曉東研究員為通訊作者。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)及廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)資助。