斑马鱼和生物钟外文翻译资料

 2023-01-10 16:15:24

斑马鱼和生物钟

Gad Vatine , Daniela Vallone , Yoav Gothilf , Nicholas S. Foulkes.

Abstact: The zebrafish represents a fascinating model for studying key aspects of the vertebrate circadian timing system. Easy access to early embryonic development has made this species ideal for investigating how the clock is first established during embryogenesis. In particular, the molecular basis for the functional development of the zebrafish pineal gland has received much attention. In addition to this dedicated clock and photoreceptor organ, and unlike the situation in mammals, the clocks in zebrafish peripheral tissues and even cell lines are entrainable by direct exposure to light thus pro-viding unique insight into the function and evolution of the light input pathway. Finally, the small size, low maintenance costs and high fecundity of this fish together with the availability of genetic tools make this an attractive model for forward genetic analysis of the circadian clock. Here, we review the work that has established the zebrafish as a valuable clock model organism and highlight the key questions that will shape the future direction of research.

摘要：斑马鱼是脊椎动物中研究生物钟最好的模型之一。因为研究斑马鱼的早期胚胎发育比较方便，可以直接观察胚胎发生时期生物钟的建立过程。更重要的是，对斑马鱼松果体功能分子基础研究已经得到了很多人的关注。另外，斑马鱼的生物钟以及感光器官和其它哺乳动物相比有很多独特之处，斑马鱼外周组织甚至细胞中的生物钟都可以接受光的刺激。因此，使用这种模式生物研究生物钟，可以直接研究时钟信号以及光照通路的功能和进化。最后，斑马鱼小，维护成本低和繁殖力强，以及遗传工具的大量使用，可以成为对生物钟进行遗传分析的一个非常有用的模型。在这里，我们综述了斑马鱼作为一个研究生物钟模式生物的建立过程，以及研究过程中提出的一些重要问题，并对将来的研究方向提出了具体建议。

关键字：斑马鱼、正向遗传学、转基因学、钟突变型、外周生物钟、外围感光细胞、松果体、细胞周期、时钟个体发生

1、介绍

1.1背景

最近提出的关于基础机制的理解和脊椎生物钟功能的一个巨大的进展。这一进展的主要促进因素是遗传解剖学的成功在果蝇[1]的基本相似的脊椎动物和果蝇时钟。此外，利用强大的小鼠遗传学工具，得到了精确函数和详细的脊椎动物生物钟组成组织[2]。因此，这不是直观地显示，我们可以在这点上从另一种脊椎动物模型如斑马鱼的生物钟分子节律进行研究。本文试图给出一个概述当前知识已聚集在斑马鱼和显示该模型的生物真的使它非常适合探索生物钟。

1.2斑马鱼作为模型

但从胚胎学和发育生物学领域中最初的兴趣在斑马鱼作为脊椎动物模型并非来自生物钟[3.4]。在这些领域的研究，其基本生物学的几个方面，使其拥有固有的理想。第一点，它具有体积小、在一个鸡蛋壳或绒毛中迅速发展的完全透明的胚胎。从单一受精细胞到一个移动的细胞，可识别的脊椎动物胚胎的中枢神经系统和大多数器官系统通常只需要24小时。此外，胚胎发育和外部的整个发展过程能在非侵入性的培养皿中在显微镜下被看到。结合荧光报告基因的转基因株系的表达能力，斑马鱼被广泛认为是活体成像的一个很好的模型[5]（图一）。

图一：一组活体转基因斑马鱼幼虫的荧光显微镜观察。早在24小时后受精（HPF）的松果体内三天龄的转基因（aanat2：EGFP）Y8斑马鱼幼虫表现出特定的EGFP表达。EGFP是在松果体的具体aanat2启动子调控和PRDM下被表达。这条线的生成，是为了研究aanat2的调控及在松果体中机制的特定基因的表达[90]。它们的光学透明性使斑马鱼的早期生活阶段非常适合于体内成像应用。

斑马鱼的另一个主要优点是它被证明用于大规模的正向遗传筛选[3.4]。同样，它的生物学特性与小鼠实验相比使它成为一个更具吸引力的模型。首先，在实验室中，繁殖是比较简单的。如果一对雄性和雌性斑马鱼是在左下的一个小水箱，在灯照射下一夜之间鱼通常能产成百上千的卵。其次，成年鱼耐寒，小（长2–3厘米），达到性成熟2-3个月后能以很低的成本提高密度。各种协议已经建立，包括后续映射化学诱变剂和逆转录病毒插入和使用诱变发生突变的基因[5]。在过去几年中已经看到斑马鱼扩大从传统的用户基础和应用研究领域包括行为与生理学不同的生物医学相关方面的使用[6.7]。这主要是由于它的低成本，其证明实用程序的正向遗传学，在哺乳动物和鱼类之间的许多相似性的基本生理，并为早期发展阶段，较少的伦理问题等优势。此外，令人印象深刻的能力是大多数斑马鱼在受伤后的组织再生能力已经吸引了相当大的关注，其研究目的是为了了解和治疗人类的某些疾病如心脏和神经退行性疾病和癌症[7.8]。

1.3生物钟学和斑马鱼

值得注意的是多年前最初的生物钟学转向斑马鱼[9.10]。我们在欧洲中世纪早期的知识，是脊椎生物钟的分子基础的知识。在这个阶段，我们的drosoph - ILA运作的理解，脉孢菌和蓝藻生物钟是不完整的。此外，没有脊椎动物的生物钟基因被克隆，所以在脊椎动物的生物钟的分子机制的性质是一个完整的谜。给出了利用正向遗传学鉴定非脊椎动物的第一时钟突变体及其基因的明确的成功和对小鼠进行大规模的基因筛选困难，斑马鱼是在一个基因易处理的脊椎动物物种似乎是一个理想的模型，它适用于模型探索和表征第一个时钟突变体。此外，由于其广泛的特性，在许多发育生物学研究，它包含了一个伟大的希望，作为一个模型来跟踪在胚胎发生过程中的昼夜节律的起源。然而，随着第一个分子工具核心生物钟的可用性研究，斑马鱼提供了更多的优势这一概念很快就变得明显。值得注意的是，光是达到这个物种的性外周生物钟直接相关的因素[11]。在哺乳动物的这种情况与果蝇的外设时钟正好相反[12]。这种直接的光传感特性也同样在自斑马鱼胚胎的细胞系中遇到[11]。

斑马鱼的另一个主要的好处是它的松果体。在哺乳动物中，光的时钟输入被认为是唯一的在眼睛上的本质上感光性视网膜神经节细胞的一个子集。这光信息在视交叉上核（SCN）通过视网膜酸诱导下丘脑道到达中央振荡器，引起时钟基因转录的变化（例如，Per1、Per2）和同步神经元节律性活动[13.14]。然后从SCN信号调节许多其他目标的活动，包括松果体褪黑激素的合成[15]。在非哺乳类脊椎动物，包括斑马鱼，松果体包含光的夹带和昼夜节律的产生所需的所有元素：它是感光和包含一个内在的生物钟振荡器[16.17]。松果体是经典的感光细胞，视网膜感光细胞的细胞结构和功能具有相似性。松果体与视网膜光受体细胞有相似的基因，或者说在某些情况下是侧面模拟[18]。鱼松果体包含一个内在的昼夜节律钟，推动有节奏的褪黑激素的合成。黑素水平在晚上高白天低是由于褪黑激素合成的关键酶5-羟色胺-N-乙酰基-转移酶（AANAT）的转录调节和稳定。斑马鱼像其他硬骨鱼有两个：aanat1 基因主要在视网膜和aanat2基因在松果体的视网膜前压并且是在有限的范围内表达[18.19]。这种酶的活性是由昼夜时钟决定的，也显示了在夜间照明快速的抑制响应[20.21]。因此，松果体被认为是作为中央起搏器：环境光信息转换成神经和神经内分泌信号。许多研究现在集中在确定的控制机制，在发展过程中直接的第一次出现有节奏的褪黑激素合成，这种规律是其调节的时钟和光以及松果体特定的基因表达模式。

2、斑马鱼的时钟基因

2.1脊椎动物的昼夜节律机制

有许多基本的相似性研究关于果蝇生物钟和脊椎动物的时钟机制（见图2）[1.2]。在两个时钟的核心是一个周期约24小时的转录翻译反馈循环[22.23]。更具体地说，对于你这个调节回路由贝特正元素（时钟Bmal）驱动负元素的表达（期间（Per）和隐花色素（Cry）），反过来反馈下调自己的表达，所以允许一个反馈回路的新周期的开始。 bHLH PAS结构域转录因子结合时钟Bmal的异源二聚体E盒元件位于Per和Cry基因从而诱导转录的启动子。翻译后，二聚化和易位到细胞核，Per和Cry蛋白质物理相互作用从而抑制由时钟驱动的转录激活：Bmal复杂。控制翻译、翻译后修饰、稳定性、翻转和亚细胞定位都有助于时间这个反馈回路。此外，一个附加反馈回路的存在性，指示BMAL转录的节律性表达往往赋予核心回路的坚固性和稳定性的存在[24]。

图2。斑马鱼昼夜节律分子机制的研究现状。“核”的反馈回路（包括时钟Bmal的驱动周期节律性表达的异源二聚体（Per）和隐花色素（Cry）基因）与“稳定”反馈回路（其中REV-ERB和RORA基因直接表达的节奏时钟Bmal基因）类似于小鼠生物钟的组织[2]。然而，在斑马鱼中多个拷贝的时钟，Bmal，Per,Cry基因产生更复杂的池调节因素。重要的是，诱导表达的生物钟Cry1a基因和Per2基因，提供了一种机制，因此时钟的功能是光直接调节PER和CRY蛋白池[26.27]。对D盒结合因子TEF调节的表达和功能，从而引导光诱导的时钟基因的表达法[60.71]。TEF的时钟感光体（S）上的确切性质仍不清楚。作为潜在的生物钟细胞其视蛋白，隐花色素基因（cry4）以及光转换含黄素氧化酶，都受到牵连[26.53.57]。

关于脊椎动物的时钟机制的特点是关键的生物钟基因的额外拷贝的存在。因此，在果蝇的单时钟基因（d时钟）是由哺乳动物的时钟和NPAS2代表，而周期是哺乳动物和果蝇的同源基因2。此外，该dPer基因对应三哺乳动物基因的同系物：Per1、Per2和Per3，dCry基因；两哺乳动物同源：Cry1和Cry2[22]。鱼的这种情况甚至更为复杂。发生了基因组复制事件的硬骨鱼系演化过程中导致在许多脊椎动物基因如与小鼠的情况相比斑马鱼的额外的基因复制[25]。在某些情况下，重复基因拷贝后来被演化然而在许多事例中丢失，额外复件在保持。这可能反映冗余与一个函数被共享的额外的基因。另外，重复基因的不同功能和多功能由原来的基因可能分布在“更专业化”的复制中。

2.2多个斑马鱼的时钟基因

在斑马鱼中存在多个时钟基因很显然在这个物种的cry基因的描述和随后的时钟Bmal和Per基因（见图2和表1）。六个被鉴定的Cry基因分别为：基因1b，2a，2b，3和4[26]。Cry1a，1b，2a和2b在哺乳动物mCRY基因中分享大部分的序列同源性和功能测试证实他们也重新按时钟Bmal被转录激活。有趣的是，剩下的两个Cry蛋白，Cry3和Cry4不抑制时钟Bmal的活化。同时Cry3基因与哺乳动物的晶体分享基因序列相似性，Cry4更类似于果蝇的Cry。在果蝇中，Cry行为是蓝色光的感光体和永恒的相互作用（提姆），继而转为Cry行为转录抑制因子。Cry在DRO索菲拉感光已经导致一些猜测，斑马鱼cry4可能作为一个感光的作用（见4.2节）。以及功能和序列发散，各种各样的Cry基因其不同的基因表达模式的变化是有节奏的[26]。因此，Cry3显示峰在早晨表达，Cry1a,1b和4d的显示峰在光相位的中间表达，Cry2a和2b的显示峰在晚上表达。Cry1a是显示光驱动的表达方式，而其余的Cry基因主要是时钟调节。事实上，光诱导表达Cry1a似乎代表了一个关键的机制夹带光和高振幅循环的维护（图2）[27]。这些功能地区的互动的结果是从Cry1a能力与时钟Bmal激活关键，从而防止其形成阻碍其反式激活E盒增强子的能力[27]。一起，这些观测点的各种Cry基因的发散功能。随后，3个时钟基因（时钟1a，1b和2以前被分别确定为时钟1、2和3）和3Bmal 基因（Bmal1a基因，1b和2，以前被分别确定为Bmal1,3和2）已经确定并已显示在不同的异源二聚体相互作用的成对组合[28-31]。这些异源二聚体显示不同的激活性能和效率的差异，它们抑制晶体如Cry1A。这种基因，情况也很复杂，两个Per1基因（per1a和1b）与单个Per2和Per3基因表达模式，表现出不同的空间[32]。此外，而Per2是光驱动的基因，其余的Per基因主要是时钟调节。Per2在特定的功能是已被证明的功能结合Cry1A作为光的输入途径的因素以及胚胎发育过程中在松果体时钟的早期发展中的重要作用[27.30.33.34]。

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