40年未解之谜终于有了答案：生物电如何影响肌肉发育

　　

一位生物学家在实验室笔记本上留下了40年未解之谜，终于有了答案，这要感谢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是如何通过电信号进行交流的——这种现象被称为生物电。

这种通过细胞间的特殊通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，并确定了当这一过程出错时会发生什么。

这一发现为人类肌肉疾病的遗传起源提供了线索，并触及了发育生物学中长期存在的问题。

“这是我们许多人多年来一直想知道的事情——现在我们已经弄明白了!”UO的神经科学家Judith Eisen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:保留那些实验室笔记本。几年前，Eisen搬到临时实验室装修时，发现了她原来的精装笔记本。多年前她用墨水写下的草图和速记笔记至今仍有意义。

肌肉之谜

1983年，Eisen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。她是一个科学家小组的成员，他们致力于将斑马鱼作为一种新的模式生物，希望利用这些发光的小鱼来探索有关脊椎动物发展的问题。

像小鼠、果蝇和线虫这样的模式生物使科学家们能够进行在人类身上无法进行的实验，回答基本的生物学问题，并为在人类身上进行更集中的测试提供指导。

斑马鱼是一个很有希望的场景。斑马鱼和人类有许多共同的基因，这使得斑马鱼可以用于测试人类疾病和病症的遗传基础。由于斑马鱼的胚胎是透明的，科学家可以在显微镜下实时观察发育过程。

但在当时，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，并在实验中有效地利用它们。

一天，Eisen和Westerfield正在用黄色示踪染料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有通过在肌肉中插入一个充满发光染料的移液管才能到达。因此，一些染料最终也与肌肉细胞混合在一起。

Eisen和Westerfield对染料在肌肉细胞中扩散的方式很感兴趣。它在细胞间传播的方式表明，细胞之间是直接共享信息的——通过它们之间的某种物理连接通道，而不是通过远距离的化学信使。

这与我们对成人肌肉细胞如何相互沟通的理解不符。但是，这个领域逐渐意识到，肌肉细胞之间的联系在肌肉发育过程中可能很重要。

Eisen在她的实验笔记本上勾勒出了她所看到的，Westerfield也是如此。但Eisen说，没有一个好的方法来进一步探测。虽然当时的科学家们知道这些交流渠道的存在，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。所以这是个死胡同。

Eisen转向其他问题，在她的职业生涯中对发育生物学领域做出了重大贡献。今年4月，她被选入美国国家科学院，这是科学家享有的最高荣誉之一。

在过去的40年里，Eisen和她的同事们，以及世界各地的科学家们，一直在继续把斑马鱼作为一种模式生物。基因技术的进步使这种小鱼成为了解生物学的更有力的盟友。

一条不会游泳的鱼

几年前，Eisen的观察在另一位UO神经科学家Adam Miller的实验室中重新出现。

Miller被Eisen和同事招募到俄勒冈大学，建立一个研究小组，专注于细胞间的电通讯。他的实验室研究神经回路如何建立连接并创造行为。其中一个重点领域是间隙连接，即允许电信号在细胞间直接传递的物理通道。这些沟通途径在早期发育期间尤为重要，因为身体的许多系统正在建立和组织起来。

斑马鱼是研究电通信的完美物种。Rachel Lukowicz-Bedford说，多亏了他们透明的胚胎，“我们可以实时成像电流流过细胞的情况。”

在寻找具有不同间隙连接突变的斑马鱼时，Lukowicz-Bedford有一个有趣的发现:一条斑马鱼不能正常移动它的尾巴。通常情况下，斑马鱼的胚胎会四处翻滚，并自发地甩动它的尾巴，但这些鱼没有这样做。

当他们做实验找出原因时，研究小组意识到这条鱼可能与艾森在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间隙连接传播，就像一缕食用染料扩散到一杯水中一样。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间通过间隙连接的电通讯。

研究小组发现，这种沟通障碍导致肌肉发育不正常。在普通健康的斑马鱼中，肌肉纤维是直而有序的。在这条有这种突变的斑马鱼身上，肌肉纤维是皱巴巴的，波浪状的，就像皱巴巴的纸带。

研究人员将这种变化归因于一种特定基因的突变。通过一系列实验，他们发现这种基因在正常运作时，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肌肉发育的活动。在发育过程中，如果没有适当的电信号，肌肉纤维就不能正常组织，导致肌肉纤维起皱和严重的肌肉缺陷。

Lukowicz-Bedford说:“我们发现这个间隙连接通道是一个导管，它允许神经细胞的电流发送到肌肉纤维。”

这一发现回答了Eisen几十年前的问题，她在实验室笔记本上勾画了这个问题:黄色染料在肌肉细胞之间移动是因为这些特定的通信通道。

不过，这些发现不仅仅是出于好奇，还可以帮助科学家了解人类肌肉的发育。在肌肉不能正常发育的疾病中，有缺陷的间隙连接通道可能是一个原因，这个联系以前是未知的。

“我们在这篇论文中研究的基因不是一个奇怪的斑马鱼基因;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个非常难以捉摸的基因的功能。”

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

“生物电从一个器官系统转移到另一个器官系统对发育和成人功能至关重要，找到导致这种情况发生的基因，了解它们是如何工作的，以及当通信中断时究竟是什么出了问题，将为人类疾病提供新的见解。”