斑马鱼揭示生物电如何影响肌肉发育

生物学家实验室笔记本上40年来一直没有答案的一个问题终于得到了解释，这要归功于一条不会扭动尾巴的小鱼

俄勒冈大学的一项新研究描述了神经细胞和肌肉细胞在发育过程中如何通过电信号进行交流，这种现象被称为生物电

细胞间通过特殊渠道进行的交流对正常的发育和行为至关重要。这项研究确定了控制这一过程的特定基因，并确定了出错时会发生什么

这一发现为人类肌肉疾病的基因起源提供了线索，并挖掘了发育生物学中长期存在的问题

“这是我们很多人多年来一直想知道的事情，现在我们已经弄清楚了。”UO神经科学家朱迪斯·艾森说，她在20世纪80年代发现了斑马鱼肌肉细胞之间的一种交流模式，但她无法解释

Eisen和她的同事在6月26日发表在《当代生物学》上的一篇论文中报告了他们的发现

这项工作将UO的三代神经科学家联系在一起，并为所有研究人员提供了一个教训：保存这些实验室笔记本。几年前，艾森搬进临时实验室进行建筑翻新时，发现了她的精装笔记本原件。她几年前用墨水记录的素描和速记笔记至今仍有意义

肌肉之谜

1983年，艾森是蒙特韦斯特菲尔德实验室的博士后研究员，刚刚开始她在UO的职业生涯。她是一小群科学家中的一员，他们致力于将斑马鱼建立为一种新的模式生物，希望利用这些闪闪发光的小鱼来探索脊椎动物的发育问题

老鼠、果蝇和蠕虫等模型生物使科学家能够进行在人类身上不可能进行的实验，回答基本的生物学问题，并为更集中的人类测试提供指导

斑马鱼是一个很有前途的补充。斑马鱼和人类有许多共同的基因，这使得斑马鱼有助于测试人类疾病和条件的遗传基础。由于斑马鱼胚胎是透明的，科学家可以在显微镜下实时观察发育过程

但当时，这个系统的一切都是新的。生物学家必须弄清楚如何在实验室里照顾这些鱼，并在实验中有效地使用它们

有一天，艾森和韦斯特菲尔德使用黄色示踪染料来突出斑马鱼的单个神经细胞，以便在显微镜下观察。他们想要到达的细胞只能通过将充满发光染料的移液管插入肌肉来获得。因此，一些染料最终也混入了肌肉细胞

Eisen和Westerfield对染料在肌肉细胞中的传播方式很感兴趣。它以一种表明细胞直接共享信息的方式在细胞间传播——通过它们之间的一些物理连接通道，而不是通过远程化学信使

这不符合对成年肌肉细胞如何相互交流的理解。但该领域逐渐意识到，肌肉细胞之间的联系在肌肉发育过程中可能很重要

艾森和韦斯特菲尔德在实验室笔记本上勾画出了她看到的东西。但艾森说，没有一个好的方法来进一步调查。虽然当时的科学家知道这些沟通渠道的存在，但他们不知道创造它们的基因，也没有工具来询问它们在做什么。所以这是一条死胡同

Eisen继续研究其他问题，在她的职业生涯中为发育生物学领域做出了重大贡献。2024年4月，她入选美国国家科学院，这是科学家最负盛名的荣誉之一

在过去的40年里，艾森和她的UO同事，以及世界各地的科学家，继续将斑马鱼开发成一种模式生物。基因技术的进步使这条小鱼成为理解生物学的更强大的盟友

几年前，艾森的观察结果在另一位UO神经科学家亚当·米勒的实验室中再次出现

Miller被艾森及其同事招募到俄勒冈大学，成立了一个专注于细胞间电通信的研究小组。他的实验室研究神经回路如何建立联系和创造行为。一个关注领域是间隙连接，这是允许电信号直接在细胞之间移动的物理通道。这些沟通途径在早期发育过程中尤为重要，因为身体的许多系统正在建立和组织起来

斑马鱼是研究电通讯的完美物种。米勒实验室的博士后Rachel Lukowicz Bedford说，由于它们的透明胚胎，“我们可以实时成像流经细胞的电流。”。通常，斑马鱼的胚胎会扑通一声，自发地甩动尾巴，但这些鱼并没有这样做

当他们做实验找出原因时，研究小组意识到这种鱼可能与艾森在20世纪80年代对肌肉细胞的观察有关

在健康的斑马鱼身上，研究人员可以观察到电信号通过肌肉细胞之间的缝隙连接传播，就像一缕食用染料扩散到一杯水中。在有这种突变的鱼身上，信号不会流动。这种突变破坏了细胞之间通过缝隙连接的电通讯

研究小组表明，这种沟通障碍导致了肌肉发育不当。在普通健康的斑马鱼身上，肌肉纤维是笔直有序的。在这种具有这种突变的斑马鱼身上，肌肉纤维呈褶皱和波浪状，就像皱纹纸飘带

研究人员将这种变化归因于特定基因的突变。通过一系列实验，他们表明，当这种基因正常发挥作用时，它会在肌肉细胞之间形成间隙连接通道，使神经系统能够协调早期发育肌肉的活动。在发育过程中，如果没有适当的电信号，肌肉纤维就无法正常组织，导致肌肉纤维褶皱和严重的肌肉缺陷

Lukowicz-Bedford说：“我们发现这个缝隙连接通道是一个管道，它可以将神经细胞的电流输送到肌肉纤维。”

这一发现回答了艾森几十年前的问题，这个问题在她仍然保存的实验室笔记本上勾勒出来：由于这些特定的通信通道，黄色染料在肌肉细胞之间移动

然而，这些发现不仅仅是一种好奇，还有助于科学家了解人类肌肉发育。在肌肉发育不正常的疾病中，间隙连接通道的缺陷可能是一个原因，这种联系以前是未知的

“我们在这篇论文中研究的基因不是一种奇怪的斑马鱼基因；它也存在于人类身上，”Lukowicz-Bedford说。“通过使用斑马鱼，我们可以追踪这种在人类中基本上未知功能的基因，并能够了解它在环境中的作用。我们已经能够揭示一种非常难以捉摸的基因的功能。”

研究还表明，不同系统之间的电信号对发育至关重要。研究人员认为，类似的交流可能也在其他身体系统的发育中发挥作用——它可能不仅仅局限于肌肉

米勒说：“生物电从一个器官系统转移到另一个器官对发育和成人功能至关重要。”。“找到允许这种情况发生的基因，了解它们是如何工作的，以及当通信中断时到底出了什么问题，将为人类疾病提供新的见解。”