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Während sich die Verwendung von Melanin für den Lichtschutz im Tierreich mehrmals weiterentwickelt hat, haben Wirbeltiere den Prozess scheinbar perfektioniert. Spezielle pigmentproduzierende Zellen mit einer ausgeklügelten Maschinerie zur Synthese und Eindämmung von Melanin werden vom Fisch bis zum Menschen konserviert1. Das Ergebnis der Pigmentierung ist jedoch dramatisch unterschiedlich, reicht von der Farbe bis zur Wahrnehmung, und zeigt sich als lebendige Muster auf den Integumenten, der Haut und den Haaren2. Trotz der Vielfalt ist das Repertoire an Genen, die an der Pigmentierungsreaktion beteiligt sind, auffallend konserviert. Die Kernkomponenten der Melanin-synthetisierenden Maschinerie, wie die wichtigsten Melanin-synthetisierenden Enzyme, die Komponenten der Melanosomen und die vorgeschaltete Konnektivität zum Signalweg, bleiben im Wesentlichen über alle Organismen hinweg identisch. Subtile genetische Unterschiede führen zu dramatischen Veränderungen in den Pigmentierungsmustern, die bei Spezies3 beobachtet werden. Daher bietet ein umgekehrter genetischer Ansatz in einem niederen Wirbeltierorganismus, dem Zebrafisch (Danio rerio), eine hervorragende Möglichkeit, die Beteiligung von Genen an der Wiedergabe des pigmentierten Zustands zu entschlüsseln4.
Zebrafischembryonen entwickeln sich innerhalb einer Zeitspanne von ~24 Stunden nach der Befruchtung (hpf)5 von einer einzelligen befruchteten Zygote zu einer Larve. Auffallend ist, dass es sich bei den Melanozyten-äquivalenten Zellen – den Melanophoren – um große Zellen handelt, die in der Dermis vorhanden sind und durch den dunklen Melaningehalt auffallen6. Diese von der Neuralleiste abgeleiteten Zellen strahlen ~11 hpf aus und beginnen, ~24 hpf 6,7 zu pigmentieren. Konservierte Genexpressionsmodule haben die Identifizierung von Schlüsselfaktoren ermöglicht, die die Funktionen von Melanozyten orchestrieren, und zur Entwicklung transgener fluoreszierender Reporterlinien Tg(sox10:GFP), Tg(mitfa:GFP) und Tg(ftyrp1:GFP)8,9,10 geführt, die selektive Stadien der Melanozytenentwicklung markieren. Die Verwendung dieser transgenen Fischlinien ermöglicht die Abfrage der Zellbiologie von Melanozyten auf organismischer Ebene im Gewebekontext mit geeigneten Hinweisen entsprechend den Entwicklungszeitplänen. Diese Reporter ergänzen die pigmentbasierte Quantifizierung von Melanozyten und ermöglichen eine eindeutige Beurteilung der Melanozytenzahl unabhängig vom Melaningehalt.
Dieser Artikel enthält ein detailliertes Protokoll zur Entschlüsselung der Biologie von Melanozyten durch die Bewertung von zwei kritischen Parametern, nämlich dem Melaningehalt und der Melanozytenzahl. Während ersteres ein übliches funktionelles Auslesen ist, das von einer Hypopigmentierungsreaktion ausgeht, ist letzteres mit einer Verringerung der Spezifikation oder des Überlebens von Melanozyten verbunden und wird häufig mit genetischen oder erworbenen Depigmentierungsbedingungen in Verbindung gebracht. Die Gesamtstrategie dieses umgekehrten genetischen Screenings besteht darin, ausgewählte Gene mit einem Morpholino zum Schweigen zu bringen und die Melanozyten-spezifischen Ergebnisse zu untersuchen. Der Melaningehalt wird mittels bildbasierter Quantifizierung der mittleren Grauwerte analysiert und anschließend mit einem Melaningehaltstest bestätigt. Die Anzahl der Melanozyten in verschiedenen Reifungsstadien wird mittels bildbasierter Quantifizierung analysiert und mittels FACS-Analyse weiter bestätigt. Hier wird das Screening-Protokoll anhand von zwei Kandidatengenen demonstriert, nämlich der Carboanhydrase 14, die an der Melanogenese beteiligt ist, und einer Histonvariante H2AFZ.2, die an der Spezifizierung von Melanozyten aus der Neuralleistenvorläuferpopulation beteiligt ist. Während ersteres den Melaningehalt und nicht die Melanozytenzahl verändert, verändert letzteres die Anzahl der spezifizierten Melanozyten und folglich den Melaningehalt im Embryo. Insgesamt bietet diese Methode ein detailliertes Protokoll, um die Rolle eines Kandidatengens bei der Pigmentierung zu identifizieren und seine Rolle bei der Kontrolle der Melanozytenzahl im Vergleich zum Melaningehalt zu unterscheiden.