大腦，是人體內的星系。當前，腦卒中、腦腫瘤、腦積水、帕金森病、癲癇病、阿爾茨海默病、腦炎等腦部疾病，已成為難以回避的社會問題。數據顯示，全球目前約有10億人口患有腦疾病，占全球所有疾病負擔的28%，也是全球第二大死亡來源。

斑馬魚，是研究人類腦疾病的理想模型，其與人類基因同源性高達87%，絕大部分遺傳疾病可在斑馬魚中建模，并具有胚胎透明、易于觀察、大腦結構相對簡單、神經元數量適中等顯著優勢，便于進行大規模的遺傳學和表型學研究，并可靠模擬腦疾病的發生和發展過程。近年來，隨著斑馬魚及基因編輯技術的快速發展，斑馬魚與基因編輯在腦科學研究中的應用越來越廣泛，為我們更深入地理解大腦的功能和機制，開發新的治療方法提供了新的視角和方法，并呈現出巨大的應用潛力。

01、斑馬魚基因保守性及轉錄學分析

當前，斑馬魚因其高度的基因保守性和獨特的轉錄學特性，在腦科學研究中具有不可替代的地位。

斑馬魚神經系統與人體的相似性

斑馬魚大腦系統的主要結構與哺乳動物相似，在生理學、腦解剖學和神經化學方面都與人類的特征基本相同，其神經遞質系統，包括膽堿能、多巴胺能、去甲腎上腺素能通路已經被闡明，其基因表達、細胞信號傳導等過程也與人類相近；

與人類相當的行為，如運動活動、焦慮樣行為、學習、記憶保留、空間和物體識別、恐懼反應、社會偏好和互動等，都能在斑馬魚身上得到體現。研究表明，硬骨魚的側腦皮層與哺乳動物海馬相似，能夠獲得和記憶空間信息；內側大腦皮層功能在某種程度上與哺乳動物的杏仁核(恐懼和其他情緒的中心)相似。因此，斑馬魚幼體不僅表現出短期記憶，而且還表現出長期記憶及聯想和社會學習性，是研究學習和記憶的生物機制的最佳模式生物之一。

斑馬魚白天很活躍，在視覺、聽覺和嗅覺功能方面具有生理優勢；腦血屏障(BBB)在3dpf-10dpf發育；可以通過基因編輯、藥物誘導或化學誘導產生類似于人類CNS的疾病模型，通過行為測試和社會學分析模擬人類，結合熒光標記、電生理生物化學、神經化學、組學、分子分析等方法，建立高通量分析，實現整體動物光學可視化和高通量篩選。

斑馬魚基因保守性分析

斑馬魚基因保守性主要體現在與人類和其他脊椎動物基因的相似性上，包括與神經系統、免疫系統、代謝系統等相關基因。斑馬魚基因組與人類相似性高達87%以上，絕大部分遺傳疾病可在斑馬魚中建模，為利用斑馬魚研究人類疾病提供了堅實的基礎。

斑馬魚基因保守性還體現在其功能和調控機制上，為更好地了解人類基因功能和調控機制、疾病的預防和治療提供了新的思路和方法。許多在斑馬魚中發現的基因和分子機制在人類中同樣存在，并發揮著相似功能。如，斑馬魚Sec13基因與人類Sec13基因在進化上高度保守，其功能和調控機制都涉及到內質網到高爾基體的轉運過程；斑馬魚rictor基因也與人、小鼠等的rictor基因相似性很高，在調節細胞生長、增殖和代謝等方面發揮著重要作用。

斑馬魚轉錄組學分析

通過高通量測序技術對斑馬魚進行轉錄組學分析，不僅可以獲取斑馬魚各組織、器官或細胞類型的轉錄組數據，包括mRNA、非編碼RNA等多種類型RNA，而且可以揭示斑馬魚在不同發育階段、生理條件或環境變化下基因表達變化情況，有助于研究者更全面地了解斑馬魚基因表達情況，深入理解斑馬魚基因的功能、調控機制及疾病機制等；

通過比較正常與疾病狀態下的斑馬魚轉錄組數據，可以發現與疾病相關的差異表達基因，為疾病診斷、治療提供新的靶點和思路，也可以基于斑馬魚基因表達的變化情況，來預測人類疾病發生風險，豐富對斑馬魚基因組的認知，為后續研究提供新的方向。

02、斑馬魚與基因編輯在腦科學研究的應用

近年來，斑馬魚與基因編輯技術，為腦神經發育研究、神經退行性疾病研究、藥物篩選與毒性測試及腦科學研究提供了強大的工具，基因表達數據庫和斑馬魚大腦圖譜也可用于探索與神經精神疾病相關的大腦區域的基因組學和神經解剖學研究。

通過精確地修改斑馬魚基因組中的特定基因，標記特定的器官與組織細胞，進行直觀、可視化展示與動態觀察，不僅可以研究基因的功能與表達模式，探究基因在腦神經發育、功能及疾病發生中的作用，而且可以研究基因與疾病的關系，建立基因編輯疾病模型，以模擬人類神經退行性疾病、精神疾病等的病理過程，從而深入探究疾病發病機制，還可以開展遺傳病/罕見病致病基因確認與機制研究、新靶點新通路新標志物的確認與驗證等。

用于活體神經系統研究及標記

在活體神經系統研究中，斑馬魚基因編輯技術為活體神經系統研究及標記提供了前所未有的機會。利用轉基因方法，可以構建標記特定神經元斑馬魚品系；利用融合熒光蛋白的方法，可以標記并監測特定蛋白的動態變化。

通過熒光標記或激光共聚焦鈣成像等技術，活體標記各種類型的神經元和神經系統相關分子、活體電活動記錄神經元中鈣離子成像等，從而實時觀察神經元的活動、連接及信號傳遞過程，有助于深入了解神經系統的結構、功能及運行機制，為神經退行性疾病、精神疾病等的防治提供新的思路和方法。

圖為活體標記-各種類型的神經元和神經系統相關分子

圖為基因編輯技術助力活體神經系統研究：敲入實現標記

用于腦神經發育研究

利用斑馬魚基因編輯技術，研究人員可以敲除或突變斑馬魚中參與腦神經發育的關鍵基因，觀察這些變化對神經系統結構和功能的影響，從而揭示腦神經發育的分子機制和調控網絡。

以“帕米帕利引起斑馬魚胚胎神經發育缺陷和腦出血的分子機制”這一研究為例，該研究以斑馬魚為研究對象，首次發現Pamiparib會引起斑馬魚胚胎腦發育異常和腦出血，揭示了Pamiparib可通過抑制Notch信號通路誘導腦損傷的這一新的分子機制，研究為Pamiparib的作用機制和的安全使用提供了重要的研究思路。

圖為Pamiparib誘發斑馬魚神經發育缺陷和腦出血

來源：“Pamiparib induces neurodevelopmental defects and cerebral haemorrhage in zebrafish embryos via inhibiting notch signaling”，《Molecular Neurobiology》，2022年8月19日

用于神經退行性疾病模型構建及研究

當前，神經退行性疾?。∟Ds）隨著預期壽命的增加而惡化，如阿爾茨海默?。ˋD）、帕金森?。≒D）、肌萎縮性側索硬化癥（ALS）和亨廷頓病（HD）等，這些疾病的共同特征包括特定神經元的選擇性神經退行性變。

目前，環特生物已構建了多種神經退行性疾病模型。通過模擬人類神經退行性疾病相關的基因突變，研究人員可以在斑馬魚中創建疾病模型，研究疾病的發病過程和機制，不僅有助于理解疾病的本質，還為開發新的治療策略提供了線索。

以肌萎性側索硬化癥(ALS)模型構建為例，ALS 是一種進行性神經退行性疾病，表現為肌無力、反射亢進、面部化、萎縮、痙攣，最終導致癱瘓，其病理特征是皮層的上運動神經元或脊髓和腦干的下運動神經元進行性喪失。目前尚無針對該病的有效治療方法，患者主要表現為運動神經元疾病的嚴重骨骼肌無力。

常見的肌萎性側索硬化癥(ALS)模型構建方法包括基因編輯、神經毒素誘導、金屬離子誘導等，如下圖所示：

2024年3月2日，Umeå大學的一項關于肌肉萎縮癥的最新研究中，研究人員創建了斑馬魚肌肉萎縮癥疾病模型，并使用基因編輯技術來研究肌肉萎縮癥如何影響眼部肌肉，通過轉錄組分析證明了斑馬魚EOMs和軀干肌肉對肌肉營養不良反應的基因表達的重要差異，同時證明了Fhl2是一種保護因子，是治療肌營養不良癥的候選靶基因。

以亨廷頓舞蹈癥（HD）為例，同樣作為一種遺傳性神經退行性疾病，其特征是舞蹈?。ǚQ為舞蹈病）的多動運動障礙，伴有癡呆、行為和精神障礙。它是由亨廷頓基因（HTT）外顯子1的顯性遺傳CAG重復擴增引起的。 HTT的突變導致突變蛋白在大腦中的積累，這些突變蛋白主要聚集在紋狀體中。隨著疾病的進展，患者逐漸失去說話和移動的能力，伴有認知能力下降。

常見的亨廷頓舞蹈癥（HD）模型構建方法包括基因編輯、藥物誘導等，如下圖所示：

用于精神疾病或遺傳腦疾病模型構建及研究

當前，急性和慢性壓力源是人類精神疾病的常見誘因，常見的與壓力相關的精神障礙包括雙相情感障礙、抑郁癥、焦慮癥、精神分裂癥和創傷后應激障礙（PTSD）等，這些疾病源于神經內分泌、神經遞質和神經免疫系統的紊亂。

與此同時，由遺傳因素所致的代謝性腦病也居高不下，包括溶酶體貯積病、過氧化物酶體病(ALD)、線粒體病(Leigh病、MELAS、KSS)、原發性腦白質病(腦白質營養不良) (Canavan病、亞歷山大病、半乳糖血癥、肌酸缺乏癥)。

近年來，斑馬魚與基因編輯技術在精神疾病或遺傳性腦疾病模型構建、發病機制研究及藥物篩選等方面發揮重要的作用。目前，環特生物已構建了多種精神疾病或遺傳腦疾病模型。

在精神疾病模型構建方面，通過模擬人類精神分裂癥相關的基因突變，可以在斑馬魚中構建精神分裂癥模型，進而觀察其腦部在病理狀態下的活動變化。由于斑馬魚的行為相對豐富，如群聚行為，這種典型的社交行為可以在一定程度上反映斑馬魚的認知狀況，從而為研究精神分裂癥提供新的視角。

以自閉癥（ASD）模型構建為例，它是由神經發育缺陷引起的，屬于影響全球約2%的人的主要人格障礙類型之一，其中大多數是兒童或青少年。成功的生物體模型是破譯中樞神經系統與自閉癥之間關系的關鍵。通過在嚙齒動物和人類中進行研究，已經確定了各種ASD相關基因。常見的自閉癥（ASD）模型構建方法包括基因編輯、藥物誘導、金屬離子誘導等，如下圖所示：

在遺傳腦疾病模型構建方面，斑馬魚的遺傳相似性使其成為研究人類遺傳腦疾病的理想模型。研究人員可以利用斑馬魚來模擬人類遺傳腦病相關基因突變，通過研究疾病發病機制、生理學變化和潛在治療策略，從而更深入地了解遺傳腦疾病的發生發展過程，為腦疾病的預防和治療提供理論依據。

用于神經系統藥物篩選與毒性測試

利用斑馬魚模型，研究人員可以快速評估藥物對神經系統的影響，篩選出具有潛在療效的藥物，還可以用于評估藥物的神經毒性，為藥物的安全性評估提供重要依據。

在最近的一項研究中，一種突變的mtdp-43斑馬魚發現了亞甲藍（mb）的治療潛力，這是通過分析各種化合物改善肌萎縮側索硬化（ALS）樣表型的療效發現的。同樣，mtdp-43突變斑馬魚存在短的、異常分支的運動軸突，氧化應激增加，逃逸反應異常。給予MB（一種神經保護劑）可以糾正游動和軸突表型，同時減少由于未折疊突變蛋白積聚而產生的內質網（ER）應激。在G93A-mtsod1轉基因小鼠模型中，將ER應激作為ALS藥物治療的潛在靶點，促使進一步測試幾種相關藥物的療效，從而確定和重新定位經批準的高血壓藥物gunabenz，作為ALS的潛在新治療。

再以PTZ為例，PTZ是嚙齒動物和斑馬魚中最廣泛使用的驚厥藥之一，能產生大量已知抗癲癇藥物不同程度抑制的強效癲癇表現型。小分子篩選最早可在2 dpf時在斑馬魚身上進行，潛在的治療效果不僅通過行為測試進行評估，還通過監測神經反應進行評估。暴露于PTZ會增加c-fos的表達，而c-fos的表達會被典型的抗驚厥藥、抗炎藥、天然和合成類固醇、抗氧化劑、血管擴張劑減弱。

近年來，斑馬魚+基因編輯技術的發展，為腦科學研究提供了越來越多的可能性。環特生物依托于斑馬魚+哺乳動物+類器官+基因編輯4大技術平臺，基于過去10余年持續的技術創新實踐，以專業、前沿的技術服務解決方案，助力腦科學研究與突破，共同探索更多未知中的微光，點亮生命之光！

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