从果蝇到斑马鱼

说是果蝇将沃哈德引入了发育遗传学的大门,但是在成功面前,沃哈德想得更深。毫无疑问,脊椎动物在进化上处于更高的层次,它具有的许多新的特性,在果蝇身上是无法得到体现的。若要揭示高等脊椎动物乃至人的发育机制的话,必须直接面对脊椎动物。

如前所述,沃哈德和韦乔斯在果蝇发育遗传学中首创的饱和筛选法,曾是他们走向成功的关键。但是,若要将饱和筛选法应用于脊椎动物的发育研究,则面临着许多的困难。例如老鼠,虽已被大量应用于遗传学研究,但老鼠的胚胎却因深藏于子宫内而难以观察。因此,要利用饱和筛选法去研究脊椎动物的发育遗传学,必须寻找一种既适合于胚胎学又适合于遗传学的动物,斑马鱼即是这样一种理想的实验对象。

斑马鱼起源于印度,为小型的热带鱼类,成体长约3-4厘米,孵出后约3个月可达性成熟。成熟的雌鱼每隔一周可产几百粒卵子,卵子体外受精、体外发育。其最大特点在于,胚体完全透明,便于观察胚胎发育的全过程,并且追踪个体细胞的分裂和迁移活动。

斑马鱼最初用于遗传学研究。但是,它那优良的特性很快受到发育遗传学家的青睐。当时正在考虑面向脊椎动物作进一步研究的沃哈德,自然也把目光转向了斑马鱼。由于它的加盟,对斑马鱼的研究又进到了一个新的层次。

斑马鱼共有25对染色体,若用饱和筛选法的话,沃哈德估计大约需要筛选一百万个以上的斑马鱼胚胎,才能达到和果蝇一样成功的结果。这样,当她在1987年开始研究斑马鱼时,她首先必须解决的,就是如何在实验室中饲养数百万条斑马鱼,这并不是一个比实验本身更容易解决的问题。所幸的是,他们花了5年的时间,终于取得了成功。

在实验过程中,沃哈德和他的实验助手一起,在观察了120万个胚胎之后,筛选出了1300个具有明显异常表型的突变体,其中有些是在原肠胚形成时,细胞的移动出问题；有些表现出异常的体型；大多数缺陷则在发育后期出现,有的仅仅为一种结构(如脊索、脑或颌弓等)缺陷；有的缺陷则影响组织分化。这些研究为从分子水平进一步克隆相关的基因提供了前提。

与果蝇相比,斑马鱼表现出了不同的特点。受精卵在卵裂之后形成一个三维体,从而不同于果蝇的三维体,同时也没有发现与间隙基因和成对基因相对应的突变模式,这也许意味着,果蝇在体节模式的形成上具有特殊之处,也可能表明,在鱼类中有这类基因的重复基因存在。此外,在鱼类中有大量的基因影响中枢神经系统和感觉器官的结构和功能,这在果蝇中较为罕见,表明脊椎动物的神经系统显然已大大进化。至1996年为止,沃哈德以及另一个小组在斑马鱼中已经确认了几千个新的突变,这些突变涉及到好几百个基因,它们可导致广泛的发育缺陷。另据1997年《科学》报道,美国国立卫生研究院(NIH)正在研究是否应该进行斑马鱼基因组计划。