文丨七号记

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脊柱是脊椎动物最典型的特征，对生存和繁殖至关重要。脊椎由交替的椎骨和椎间盘组成，从头部延伸到骨盆，并由坚固的脊柱韧带和肌腱固定。人类最常见的脊柱疾病是脊柱弯曲，称为脊柱侧弯，最早由希腊医生希波克拉底（公元前460-370年）描述。

从概念上讲，脊柱侧凸的特征是脊柱侧弯大于10°（通过X线图像上的Cobb角测量），可分为几种亚型，包括先天性、综合征性和特发性脊柱侧凸。

我们使用斑马鱼的研究证明了，模式生物检查脊柱侧弯的生物学起源和机制的优势，除非使用双足模型截肢前肢，否则脊柱侧弯的用处较小相比之下，斑马鱼在自然和实验室条件下都容易发生脊柱侧弯，使其成为模拟人类脊柱侧弯的另一种候选生物。

一、斑马鱼在模拟人类脊柱侧弯方面的优点

斑马鱼和人类的脊柱形态和结构相似，它们之间存在高度的遗传保守性。其次，假设游泳时产生的机械力，以类似于人类的方式加载到脊柱上，斑马鱼胚胎透明，在子宫外发育，便于监测脊柱发育。

紧接着与具有复杂遗传操作的小鼠不同，斑马鱼适合通过正向和反向遗传学进行高通量筛选。最后开发了各种骨染色和成像技术，以及显微CT和转基因分析，使得更容易直接有效地可视化斑马鱼脊柱的发育。

斑马鱼作为脊柱侧弯的脊椎动物模型，左图：斑马鱼研究中不同类型的脊柱侧弯及其潜在原因。神经肌肉缺陷引起的脊柱侧弯也表现为CS样组，星号表示CS样斑马鱼突变体中异常发育的椎骨；右图：用于评估斑马鱼骨骼发育的各种骨染色和成像方法。

在幼虫阶段，可以通过明场图像（左上）或LysoTracker染料染色（中上）轻松可视化脊索和液泡，斑马鱼的骨骼发育可以通过阿尔新蓝-茜素红双染色（右上）可视化，在青少年或成年阶段，骨骼发育可以通过转基因标记、钙黄绿素染色、茜素红染色或显微 CT 可视化。

二、斑马鱼脊柱侧弯

1.CS的斑马鱼模型。CS通常是由椎体发育缺陷引起的，尽管人类和斑马鱼在脊柱形成和分割方面存在差异，但斑马鱼仍可用于模拟CS的特征，在大多数情况下，CS的发生是由于斑马鱼的脊索形成和维持受到破坏。因此，胚胎脊索发育的研究可以为CS相关的分子机制提供新的见解。

在斑马鱼幼虫中，脊索还充当支架，在运动过程中为身体轴线提供刚性和灵活性。在硬骨中，脊索是脊柱和脊椎结构形成所需的过渡形式，在斑马鱼幼虫中，脊索主要由空泡细胞和脊索周围鞘细胞上皮组成，上皮可分泌胶原蛋白和其他细胞外基质，形成包裹脊索的脊索周围基底膜鞘。

2.CS样和IS样斑马鱼突变体的表型。左图，显微CT图像显示了野生型，dstyk突变体（CS样）和uts2r3突变体（IS样）中脊柱的形态。右图显示了不同突变体中椎体的茜素红色染色图像，箭头表示dstyk突变体中两个相邻椎骨之间的融合。

脊索的维持还取决于脊索周围鞘细胞上皮的功能。胶原蛋白分泌过多，斑马鱼突变体筛查的开创性工作鉴定出许多，以脊索发育异常为特征的突变体，其中一个突变体利维坦后来与col8a1a基因的突变有关。利维坦突变体在幼虫期呈折叠状肌沟，成年期呈CS样，伴有椎体畸形。

3.IS的斑马鱼模型。与CS相比，由于缺乏明显的原因，IS更加复杂。对IS家庭人群的外显子组测序分析显示，一些突变位点与纤毛、微管骨骼、细胞外基质和肌肉有关，斑马鱼纤毛突变体会发展为迟发性脊柱侧弯，没有明显的椎体畸形，纤毛是从真核细胞表面突出的毛状细胞器，根据其运动特性可分为原发性（不动）和活动纤毛。

活动纤毛的跳动既可以推动单细胞生物的运动，也可以驱动后生动物的液体流动。相比之下，初级纤毛可以作为细胞天线，来介导细胞与其环境之间的化学或物理信号传递，纤毛功能障碍可引起几种使人衰弱的遗传疾病，称为纤毛病。活动性纤毛缺陷是原发性纤毛运动障碍（PCD）的主要原因，PCD是一种罕见的常染色体隐性纤毛病。

三、纤毛生成缺陷导致斑马鱼幼虫体弯曲

在斑马鱼幼虫中，纤毛存在于许多组织中，包括库普弗氏囊泡、嗅上皮、肾前导管、室管膜上皮和精子。纤毛发育缺陷常导致斑马鱼腹体弯曲，大多数睫状突变体无法存活到成年期，斑马鱼纤毛突变体中，弯曲的身体轴的发展长期以来一直是一个谜。

脑脊液是一种在大脑和脊髓中发现的水样液体，对中枢神经系统的稳态至关重要，与人类不同，睫状搏动是斑马鱼幼虫脑室和中央管脑脊液循环的主要因素。有趣的是，活动纤毛缺陷的严重程度和体轴曲率与脊髓脑脊液流的运输效率相关，表明斑马鱼的脑脊液与轴向发育密切相关。

脑脊液信号至少部分地被位于斑马鱼，中央管底板上的脑脊液接触神经元（CSF-cN）感知， CSF-cN是纤毛化和GABA能感觉神经元，见于大多数脊椎动物。尿紧张素神经肽是一种特殊类型的神经肽，可以从CSF-cN分泌，这些神经肽广泛存在于脊椎动物中，具有多种功能，包括血管收缩和松弛以及睡眠调节。

Urp1和Urp2是斑马鱼幼虫脑脊液-cN中表达的两种主要尿紧张素，来自脑脊液的肾上腺素能信号对于Urp1和Urp2神经肽的表达至关重要，激活后，这些神经肽可以从CSF-cN分泌，并进一步结合其背肌纤维中的受体（Uts2r3，也称为Uts2ra）。

斑马鱼体轴发育过程中尿紧张素信号通路的模型。室管膜活动纤毛的跳动驱动脑脊液流动，脑脊液流动介导肾上腺素信号的传递和赖斯纳纤维的组装。肾上腺素能信号激活尿紧张素神经肽在CSF-cN（Urp1和Urp2）中的表达。尿紧张素神经肽可以进一步激活，定位于背肌纤维的Uts2r3受体并促进身体矫直，尿紧张素信号通路异常会导致幼虫的身体弯曲或成年斑马鱼的脊柱侧弯。

四、纤毛缺陷导致成年斑马鱼脊柱侧弯

蛋白酪氨酸激酶7（PTK7）是一种参与Wnt/PCP信号通路的催化缺陷受体蛋白酪氨酸激酶，是脊柱侧弯的致病基因，有趣的是，斑马鱼ptk7突变体在发育过程中，也表现出强烈的脊柱侧弯。

进一步研究表明，斑马鱼Ptk7对于室管膜细胞的协调睫状搏动和PCP极性至关重要，其缺陷可导致脑脊液血流异常、严重脑积水和脊柱侧凸，恢复Ptk7在运动纤毛细胞中的功能可以成功挽救脊柱形态发生的缺陷。

而其他纤毛生成相关基因的缺陷也导致斑马鱼脊柱侧弯，Cep290，Cc2d2a，Bbs1，Bbs5，Kif6，Kif7，Ttll11和Armc9的突变都会导致斑马鱼的脊柱侧弯。KIF6/7突变也与人类脊柱侧弯有关。这些基因与纤毛运动无关，但参与睫状功能。斑马鱼突变体中的大多数纤毛非常正常。这些数据表明，除了作为脑脊液流动的驱动力外，初级纤毛的信号转导功能也可能有助于斑马鱼脊柱的发育。然而，潜在的机制仍然未知。

五、赖斯纳纤维（RF）缺陷引起的脊柱侧弯

射频组装缺陷也已证明会导致斑马鱼脊柱侧凸。RF最初在七鳃鳗中被描述，后来被证明广泛存在于脊椎动物中。在斑马鱼中，RF从脑后脑室定位到脊髓尾尖。RF通过从大脑的SCOO分泌到脑室脑脊液的下器官（SCO）-spondin蛋白的聚集而组装。 尽管长期以来人们一直认为RF能促进脑脊液流动并防止脑积水形成，但其功能在很大程度上仍不为人知。

在斑马鱼中，RF悬浮在脑脊液中，并存在于整个中央管，SCO-spondin突变体在幼虫阶段表现出身体弯曲，并在后期生长过程中发展为进行性脊柱侧弯，这表明RF在轴向发育过程中起着关键作用。值得注意的是，RF缺失不影响脑室和椎管的睫状搏动或脑脊液血流，地板纤毛的协调跳动对于RF组装至关重要。

RF与单胺和儿茶酚胺相互作用，后者可能参与身体轴发育中神经信号的传递。可溶性SCO-spondin可用作突触生长的调节剂，从而促进神经发生，RF与脊髓中的CSF-cN密切相关，这可能有助于脑脊液肾上腺素信号的传递。

CSF-cN的顶端纤毛和微绒毛可能直接与椎管中的RF相互作用以接收这些信号，进一步的分析表明，RF的损失降低了CSF-cN中的自发钙活性，刺激钙活性需要存在多囊肾病2样（PKD2L1），这是TRP超家族的机械敏感通道蛋白。

pkd2l1突变体在后期发育过程中也表现出脊柱侧凸。这些研究表明纤毛运动、脑脊液血流、射频组装和脑脊液-cN的生理学之间存在关系。

六、脑脊液-cN下游缺陷引起的脊柱侧凸

控制斑马鱼幼虫体轴发育的关键因素之一是尿紧张素神经肽，它主要由CSF-cN分泌，这些神经肽对于通过激活下游尿紧张素受体Uts2r3，来矫正早期斑马鱼幼虫的身体至关重要，uts2r3突变体在成人中也表现出严重的脊柱侧弯，与具有睫状动力缺陷的突变体相似。

尿紧张素受体主要在斑马鱼幼虫的背肌纤维细胞中表达，正如uts2r3启动子驱动的绿色荧光蛋白（GFP）的表达所表明的那样。不幸的是，GFP表达在成年鱼中丢失，因此不清楚这种受体的不对称分布是否仍然存在。

导致IS的因素多种多样，脊柱侧弯被认为可归因于许多因素，包括荷尔蒙失调、遗传缺陷和环境暴露，斑马鱼也可以作为研究这些条件的候选模型。脊柱侧弯的患病率和严重程度在女性中更高，这也在斑马鱼ptk7突变体中得到证实，这使得斑马鱼成为研究激素在脊柱侧弯中的作用的替代模型。

丝裂原活化蛋白激酶7（MAPK7），也称为细胞外信号调节激酶5（ERK5），属于常规MAPK家族， ERK5在细胞增殖和迁移过程中起着各种作用，这对于成骨细胞分化至关重要，这些数据表明，斑马鱼和人类的成骨缺陷也可能与IS有关。

脊柱侧凸是用有毒化合物治疗的斑马鱼幼虫的常见表型，值得注意的是，大多数治疗引起脊柱弯曲和其他缺陷，包括心包水肿、心跳缺陷和幼虫期颅面畸形，由于死亡率高，在后期研究椎体缺陷是不可行的。

幼年斑马鱼暴露于2，3，7，8-四氯二苯并对二恶英（TCDD）会导致成年鱼脊柱侧弯。引人注目的是，脊柱侧弯在接下来的两代（F1和F2后代）中也很常见，这表明TCDD暴露会导致斑马鱼脊柱发育的遗传缺陷。

斑马鱼为阐明脊柱侧弯的机制提供了一个有效的模型。睫状体缺陷通过破坏肌纤维的生理作用来促进脊柱侧弯，这意味着IS可能与神经肌肉缺陷有关，IS样斑马鱼突变体的空间多向曲率（左-右和背-腹侧曲率）的机制仍然未知。

因此，肌肉发育不良导致脊柱侧弯的机制仍有待确定，斑马鱼肌纤维脊柱侧弯和Uts2r3功能障碍的调节机制需要进一步研究。不对称的椎旁肌肉激活可能与AIS有关，这为脊柱发育过程中的神经肌肉功能提供了新的见解，斑马鱼将为研究这些过程提供一个有效的平台。

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