中国科学家用斑马鱼找出人类拉肚子的原因

作者：赵绍阳（中国科学院广州生物医药与健康研究院）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

在人类疾病研究中，模式动物功不可没，建立人类重大疾病（如肿瘤和心血管疾病等）的动物模型，对分析疾病的发病机制，解答特定人群对某种疾病的易感性，及开发新型药物开发有重要推动作用。尤其是与人类相似的哺乳类动物：小鼠、猪、猴……可是你知道吗，利用斑马鱼也能研究人类疾病！

北京时间7月6日17时，国际学术期刊Nature Communications（《自然-通讯》）在线发表中国科学院广州生物医药与健康研究院裴端卿和舒晓东研究团队关于斑马鱼研究的最新成果“Deficiency in class III PI3-kinase confers postnatal lethality with IBD-like features in zebrafish”。该研究利用斑马鱼突变体模拟了人类炎症性肠病的部分表型，并且结合体外细胞3D培养结果解释其发病机制。（论文链接请点击“阅读原文”）

图1 Nature Communications 在线发表了相关论文（来源：https://www.nature.com/）

什么是炎症性肠病

炎症性肠病（IBD）是一类消化系统产生的自身免疫性疾病的总称，主要包括克罗恩氏病和溃疡性肠炎等，患者主要集中在北美、北欧以及澳大利亚等西方国家。2016年，美国的炎症性肠病患者超过300万，中国国内的发病率为3.3/100,000，并且逐年升高。除了腹泻、腹痛、贫血等症状，大部分患者还遭受了严重的心理折磨。然而目前对IBD发病机理的研究尚处于探索阶段。

人类疾病 为啥要用鱼来研究？

斑马鱼是一种热带鱼，身体细长而略呈纺锤形，头小而稍尖，吻较短，全身布满多条深蓝色纵纹，与银白色或金黄色纵纹相间排列，由于其纹路比较有条理，在水族箱内成群游动时犹如奔驰于非洲草原的斑马群，故此得斑马鱼之美称。

与其他模式生物相比，斑马鱼用于疾病研究有极大的优势：斑马鱼产卵量多、繁殖迅速、胚胎通体透明。斑马鱼基因和人类有着87%的高度同源性，这意味着其实验结果大多数情况下适用于人体，被广泛用于发育研究以及肝毒性药物、抗炎症药物等筛选。斑马鱼有很多荧光标记的转基因品系，在荧光显微镜下可以很容易观察到特定细胞的分布，能够更直观地分析发育或病理缺陷。

图3 斑马鱼（来源：维基百科）

用斑马鱼找出人类拉肚子的原因？

斑马鱼肠道早期发育与高等动物类似，因此也是炎症性肠病研究的理想模型之一。本研究利用基因编辑技术获得了两种pik3c3突变品系斑马鱼。突变品系在受精后第8天，就会出现形体弯曲、肠腔变窄等现象，并且很快就死亡。

通过进一步组织学、分子生物学以及电镜检测，研究人员确定了突变体中肠道炎症的基本表型，包括上皮细胞大量脱落、炎症因子表达升高以及免疫细胞在上皮组织聚集等。机理方面的研究表明，肠道炎症反应的激活不是微生物以及外界环境所引起的，而是肠道上皮细胞自主性损伤从而招募大量的中性粒细胞所导致的，这是与已知的斑马鱼肠道炎症模型的最大区别。

图4 突变体肠道上皮细胞结构紊乱，有细胞脱落（来源：Deficiency in class III PI3-kinase confers postnatal lethality with IBD-like features in zebrafish）

图5 绿色荧光标记的中性粒细胞在突变体肠道上皮聚集（来源：Deficiency in class III PI3-kinase confers postnatal lethality with IBD-like features in zebrafish）

为了确定突变体致死的根本原因是否是免疫系统的缺陷，科研人员决定在培养皿中研究“干净的肠道”。Caco2细胞系来源于人类结肠癌，当在培养皿底部铺一层基质胶Matrigel时，5天以后就能形成类似肠腔的“甜甜圈”结构。在该体系下抑制PIK3C3基因的表达，也会导致细胞连接的破坏。体外模型进一步证明，上皮结构的破坏是上皮细胞自主性的。

图6 PI3P缺失导致上皮细胞连接破坏，最终招募中性粒细胞，发生急性炎症（来源：Deficiency in class III PI3-kinase confers postnatal lethality with IBD-like features in zebrafish）

研究团队利用斑马鱼发现了多个囊泡运输蛋白（主要为SNX家族蛋白）在早期发育过程中的作用。而PIK3C3的催化产物磷酸肌醇 3-磷酸（PI3P）可以与SNX家族蛋白直接结合调控体内的囊泡运输等过程。本研究既揭示了PI3P在肠道疾病方面的重要作用，同时也证明了囊泡运输体系对机体发育及维持的影响。

展望

本研究既完善了磷酸肌醇（PI）代谢产物在肠道炎症方面的作用，也为炎症性肠病的药物筛选提供了新的平台。目前，仅有部分药物能够缓解炎症性肠病的症状，使得患者进入缓解期。本研究中的肠道自主性炎症模型对药物靶点的筛选具有推动作用。

广州生物院-中国科学技术大学联合培养博士生赵绍阳和广州生物院夏建红为论文共同第一作者，裴端卿研究员和舒晓东研究员为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、国家重大科学研究计划、中国科学院战略性先导科技专项及广东省科技计划项目等经费资助。

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