本文由凯瑟琳·罗杰斯撰稿，她是一名博士后研究员弗里德里希·米歇尔实验室的马克斯·普朗克的社会。
斑马鱼(鲐鱼类)自20世纪30年代以来，已被用于一系列生物学研究，包括环境污染物与健康、胚胎生长、大脑功能和疾病发展的调查。为什么斑马鱼成为如此受欢迎的模式生物？
为了说明斑马鱼被视为模式生物的一些原因，我将概述一些可用的遗传资源，并重点介绍两项最近在发育生物学方面的突破，这两项突破来自斑马鱼研究。
斑马鱼的遗传资源
揭开驱动生物学的基因网络的常见方法是检查操纵基因的后果。斑马鱼作为模式生物成功的一个原因是它对基因操纵的适应性。基因操作工具和基因组信息是研究任何生物过程的强大资源。
高质量基因组序列
高质量的序列组装斑马鱼的基因组该研究于2013年发表，揭示了约70%的人类基因在斑马鱼中有对应的基因。了解这些基因在鱼类中的功能将有助于弄清它们在人类中的作用。测序后的基因组还可以进行“全基因组/转录组”研究，例如，可以监测所有基因对实验性治疗的反应。这可以揭示以前未知的基因功能，并为理解从发育到代谢到生育过程的基因网络奠定基础。
一些斑马鱼特定的基因表达数据库提供关于什么时候和在哪里在发育的胚胎中活跃的基因是可用的。额外的分析工具已开发用于帮助以有用的方式解析和可视化表达式数据。
斑马鱼突变体
在20世纪90年代，两次革命性的大规模随机突变筛选产生了约1500个斑马鱼突变体，这些突变体至今仍在全球的实验室中使用(Nüsslein-Volhard et al.， 2012)。一个例子是独眼针头突变体，调节先天性心脏缺陷和癌症相关的发育途径。这些突变体被广泛用于研究发育和疾病。自那时以来，已经启动了更多的诱变项目，如今，世界各地的菌株分布中心提供了数千种影响不同生物过程（不仅仅是发育）的基因突变我们，欧洲,中国．另外，还建立了斑马鱼生物模型数据库ZFIN积极策划关于突变体和其他资源的信息。
斑马鱼的靶向基因失活工具
随机突变筛选为理解基因如何控制生物学提供了一个重要的立足点诺贝尔奖委员会)但是，随着遗传学领域的进步和基因组序列的出现，关于特定基因相互作用的新假设出现了，需要停用特定基因的工具。
靶向突变已经在斑马鱼中得到证实，使用的是锌指核酸酶、TALENs和最近的CRISPR/Cas9。斑马鱼中另一种常用的靶向基因失活方法是被称为morpholinos的短修饰寡核苷酸。当注入受精卵时，与靶mRNA互补的morpholinos通过阻断起始或剪接抑制其翻译。(相比之下，RNAi利用现有的基因调节机制来阻断活性，在斑马鱼身上不容易起作用。)Morpholinos是一种方便快捷的基因失活方法，无需花费数月时间产生突变。出乎意料的是，表型有时会因基因是否通过突变或morpholino失活而不同。这一发现开启了新的研究遗传补偿，一种此前未知的基因调控机制(El-Brolosy et al.， 2019)。
斑马鱼转基因的产生
通过将外源DNA引入到基因组中来创造转基因生物在许多方面都是有用的。例如，血细胞或神经元等特定组织可以被荧光标记，使研究人员可以在不同的实验条件下观察这些组织的变化。策略生成转基因斑马鱼(Felker and Mosimann, 2016)。一种常见而可靠的策略是使用转座子Tol2将外源DNA随机整合到基因组中。利用噬菌体整合酶phiC31的另一种方法也可以将非随机整合到特定的预先确定的区域。流行的UAS/Gal4和Cre/Lox基因调控系统也已成功应用于斑马鱼。
利用斑马鱼谱系追踪了解发育生物学
为了突出一些使斑马鱼有用的特征，我将概述两种最近的谱系追踪方法，它们导致了发育生物学的重要见解。
Microscopy-based血统追踪
在24小时内，体外受精的斑马鱼受精卵转化为一种具有明确身体结构的生物体，包括头部、眼睛和尾巴。与不透明的小鼠胚胎相比，斑马鱼是一个观察胚胎发生的理想系统，在母体内，类似的过程会持续数天。在发育中的斑马鱼胚胎中，数千个细胞中的每一个的起源、分裂和运动都已被证实跟踪使用microscopy和高级计算方法(Keller et al.， 2008)。这种基于显微镜的谱系追踪在时间和空间上定义了早期胚胎发生的高分辨率地图，也被用来精确地描述发育缺陷独眼针头随机突变筛选的突变株。基于显微镜的谱系追踪有助于阐明信号通路，如受基因调控的信号通路独眼针头-在胚胎发育过程中对组织和器官的“塑造”有贡献。
基于单细胞测序的谱系追踪
最近，斑马鱼胚胎发育过程中所有细胞的基因表达已经被绘制成单细胞图RNA测序方法(哈兰,2018)。几种不同的方法已经被开发出来，依赖于现有的试剂，如CRISPR/Cas9，Tol2，以及高质量的斑马鱼基因组测序。一项研究对694个胚胎的38731个细胞进行了多阶段和多阶段的分析重建了基因活性和细胞分裂的模式协调身体计划的发展(Farrell et al.， 2018)。本研究还表明，在缺乏调控的信号通路时独眼针头，产生的是比例不正确的正常细胞类型，而不是新的、异常的细胞类型。基于序列的谱系追踪可以帮助阐明将受精卵转化为成虫的基因网络，并解释信号通路如何控制这一过程。
斑马鱼的其他应用和结论
斑马鱼在发育生物学之外也很受欢迎，特别适合神经科学研究。例如，神经元活动可以是在游泳的整个大脑中被追踪(Kim等人，2017年)。”脑弓“鱼线已经被开发出来，通过独特的神经元标记来实现对大脑的高分辨率映射。斑马鱼也能控制大脑活动:optogenetic方法可以用来确定激活或沉默活幼虫特定神经元的后果。此外，斑马鱼已经成为成功的疾病模型，并被用于研究人类疾病，如血液疾病、糖尿病、癌症和阿尔茨海默病。
当然，最好的模式生物取决于生物学问题，斑马鱼并不是所有应用的理想选择。缺点包括它们的重复（即冗余）基因组，与无脊椎动物模型系统相比，它们的三个月长的产生时间和劳动密集型维护，以及它们（到目前为止）对容易的CRISPR/Cas9介导的外源DNA插入的抵抗力。
尽管有这些注意事项，斑马鱼的一些特征——包括可用的遗传资源和胚胎的透明度——已被证明在各种研究应用中是有用的。谱系追踪研究强调了这些优势如何转化为对发育生物学的见解，这一领域和其他领域的进展可能会在斑马鱼的帮助下继续下去。
非常感谢我们的客座博主凯瑟琳·罗杰斯来自弗里德里希·米歇尔实验室的马克斯·普朗克的社会。
凯瑟琳·w·罗杰斯是弗里德里希大学帕特里克Müller小组的博士后研究员
德国Tübingen的马克斯·普朗克学会米舍尔实验室。她研究脊椎动物
光遗传学方法的发展。
参考文献
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费尔克，A.和C.莫斯曼。当代斑马鱼的Tol2转基因及其在Cre/lox重组实验中的应用细胞生物学方法．卷》135。学术出版社,2016年。219 - 244。PubMedPMID: 27443928．
Harland，Richard M.“胚胎发育和再生的新观点。”科学360.6392(2018): 967 - 968。PubMedPMID:29853675．
通过扫描光片显微镜重建斑马鱼早期胚胎发育科学322.5904(2008): 1065 - 1069。PubMedPMID: 18845710．
Kim，Dal Hyung，et al.“自由游泳斑马鱼的细胞分辨率泛神经元钙成像。”自然方法14.11(2017): 1107。PubMedPMID: 28892088．
努斯林·沃尔哈德，克里斯蒂安。“斑马鱼发展问题。”发展139.22(2012): 4099 - 4103。
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