斑馬魚條紋中的黑色素細胞與人類的黑色素細胞有許多相似之處。 丹·奧爾森/iStock 來自 Getty Images Plus
黑素細胞是表皮細胞的一小部分，在保護皮膚免受陽光照射的破壞性影響方面發揮著巨大作用。 他們通過合成黑色素來做到這一點，黑色素是發送到其他皮膚細胞的色素，以保護它們免受有害的紫外線的傷害。 缺乏功能性黑素細胞會導致多種皮膚病，包括皮膚癌和白癜風，這是一種自身免疫性疾病，身體會攻擊黑素細胞並導致皮膚出現色素脫失斑塊。
近 20 年來，我一直在研究黑素細胞及其在疾病中的作用。 在細胞培養中培養人類黑色素細胞的困難導致像我這樣的研究人員使用替代模型來研究它們。
我的實驗室和其他人率先使用斑馬魚來研究黑素細胞。 我和我的團隊最近利用這種小型淡水魚作為模式生物，發現了一種黑素細胞再生的新方法。 這一過程使這些細胞能夠靈活地從損傷中恢復，並且可能適用於其他類型的組織。
斑馬魚和人類有什麼共同點
新學生和非科學家經常問我：“為什麼是斑馬魚？” 斑馬魚成為研究黑素細胞的良好模型有幾個原因。
斑馬魚的黑色素細胞在很多方面與人類的黑色素細胞相似。 這些細胞在胚胎中的發育方式與人類相同，使用相同的遺傳程序並產生相同的黑色素。 斑馬魚的黑色素細胞功能障礙也會導致與人類相同的疾病和癌症。
與小鼠或人類皮膚中的黑色素細胞不同，斑馬魚黑色素細胞的黑色條紋和斑點鱗片從外部可見。 研究人員可以將整條魚直接放在顯微鏡下觀察細胞，而無需進行活檢。
斑馬魚的黑色素細胞可以在它們的深色條紋和斑點鱗片中找到。
克雷格·西奧爾CC BY-ND
重要的是，研究人員可以以不道德或不可行的方式對斑馬魚黑素細胞進行操作和實驗。 與在培養皿中使用分離的黑素細胞的研究不同，這些實驗可以在整個動物的背景下進行，我們可以監測周圍的皮膚和其他生物因素對黑素細胞行為和功能的影響。
黑素細胞幹細胞的多樣性
在我實驗室的研究生泰勒·弗朗茨（Tyler Frantz）領導的工作中，我們的團隊將注意力集中在受傷後新黑素細胞的再生過程上。
黑素細胞再生對於白癜風等皮膚病的恢復非常重要。 它還與年齡相關的疾病有關，例如頭髮變白，其中黑色素細胞幹細胞要么死亡，要么進入休眠狀態，不再產生賦予頭髮顏色的成熟黑色素細胞。
這張照片中聚集成一條帶的小黑眼圈是放大 100 倍的斑馬魚黑素細胞。
克雷格·西奧爾CC BY-ND
為了研究黑素細胞再生，我們從斑馬魚身上取出這些細胞，並跟踪它們的再生過程。 由於斑馬魚的黑色素細胞幹細胞是外部可見的，因此我們實時跟踪這些細胞以了解它們如何分裂和成熟。 此外，我們還測量了再生過程中個體黑素細胞幹細胞及其後代中表達的基因。
我們發現，垂死的黑素細胞通過向黑素細胞幹細胞（可以產生新黑素細胞的細胞）發出激活信號來觸發這種再生過程。 令人驚訝的是，我們發現了兩種類型的干細胞，每種干細胞都採用不同的途徑來產生新的黑素細胞。 一種干細胞直接轉化為產生黑色素的黑素細胞。 另一種類型的干細胞分裂產生兩種類型的子細胞。 一種是新的黑素細胞，另一種是準備應對未來損傷的新幹細胞。
研究人員已經知道，單個乾細胞能夠產生組織再生所需的多種類型的細胞。 我們的斑馬魚研究表明，皮膚和其他組織中的多種不同幹細胞可以在受傷後共同重建一種特定的細胞類型。 多個乾細胞的參與可能使再生能夠靈活地適應不同類型的損傷。
從魚到人
我們對斑馬魚的研究結果可能與人類皮膚有關。 當我們檢查從人類皮膚水泡內的液體中取出的細胞時，我們發現細胞看起來與斑馬魚黑素細胞幹細胞非常相似。 我們計劃看看這些人類細胞是否在皮膚再生過程中被激活以產生新的黑素細胞，這將證實它們作為黑素細胞幹細胞的身份。
最終，我們設想利用這些發現來開發能夠重振黑素細胞幹細胞活力的治療方法，這可能有助於扭轉白癜風和其他疾病引起的膚色喪失。 此類治療還可能有助於抵消與年齡相關的頭髮和皮膚色素損失。
斑馬魚的獨特特徵使我們能夠發現一種新的細胞再生模式。 由於跨物種的相似性，我們期望使用斑馬魚的研究中的這些和許多其他發現可以應用於人類生物學。
Craig Ceol 獲得美國國立衛生研究院、美國國防部和 JW Holdings Pharmaceuticals 的資助。
Translated By GNMT, Written By Craig Ceol, Assistant Professor of Molecular Medicine, UMass Chan Medical School, https://theconversation.com/zebrafish-share-skin-deep-similarities-with-people-making-them-helpful-models-to-study-skin-conditions-like-vitiligo-and-melanoma-205373