4.3: Eine Einführung zum Zebrafisch: Danio rerio

Danio rerio, oder Zebrabärblinge, sind kleine Fische, die große Furore in der biomedizinischen Forschung machen. Zebrabärblinge legen hunderte, sich äußerlich entwickelnde Eier, wodurch Wissenschaftler sie genetisch verändern und die Phänotypen in komplexen Organismen beobachten können. Da sie einen großen Teil des Genoms mit den Menschen teilen, können uns Zebrabärblinge dabei helfen humane Krankheiten besser zu verstehen und besser zu behandeln. Dieses Video gibt einen Überblick über die Zebrabärblinge, zeigt weshalb sie großartige Modelle sind und wie sie in Laboren heute benutzt werden.

Bevor wir über die Fischforschung sprechen, schauen wir uns den Zebrabärbling erst einmal näher an. Wie Mäuse und Menschen auch sind Zebrabärblinge Wirbeltiere - dass heißt sie haben ein Rückgrat. Zebrabärblinge sind Knochenfische in der Klasse der Actinopterygii, die sich durch ihre knochigen Strahlen in ihren Flossen auszeichnen. Um genau zu sein gehören Zebrabärblinge zu der größten Wirbeltierfamilie: der Cyprinidae, zu welcher über 2400 Arten, unter anderem auch der beliebte Goldfisch, gehören.

Danio rerio gehören zu den kleinsten Mitgliedern dieser Familie. Die erwachsenen Fische sind ca. 30-40 Millimeter, oder 1.5 Inch lang. Zebrabärblinge haben ihren Namen durch ihre Ähnlichkeit mit den Zebras bekommen. Aber nicht so! Der Name kommt von den Streifen, die sie längs auf ihren torpedoförmigen Körpern haben. Zebrabärblinge kommen ursprünglich aus der Gegend des Himalayas, wo sie sich in sich langsam bewegenden Süßwassergewässern aufhalten. Man muss jedoch nicht so weit reisen, um sie zu finden, denn Danios sind robuste Fische, die auch in vielen Aquarien zu Hause anzutreffen sind.

Der Lebenszyklus des Zebrabärblings besteht aus 4 Hauptentwicklungsstadien: dem Embryo, der Larve, dem Jugendlichen, und dem Erwachsenen. Der Zyklus beginnt wenn Eizellen und Sperma von den sich paarenden Fischen ausgeschieden werden. Nach der Befruchtung gehen die ersten Entwicklungsstadien sehr schnell, und die Embryos schlüpfen als Larven nur 3 Tage nach der Befruchtung (dpf). Von diesem Punkt aus reifen die Fische in zwei bis drei Monaten zu fortpflanzungsfähigen Erwachsenen heran.

Nun dass wir etwas über die Zebrabärblinge in der Wildnis wissen, schauen wir uns an, weshalb sie so wertvoll im Labor sind. Erstens können Zebrabärblinge in hoher Bevölkerungsdichte gehalten werden und ihre Pflege ist einfach. Dadurch ist ihre Haltung preiswerter als die anderer Wirbeltiermodelle. Außerdem sind Zebrabärblinge extrem fruchtbar. Reife Weibchen können hunderte Eier pro Woche legen.

Die äußerliche Entwicklung der Zebrabärblingsembryos ist sehr praktisch, denn ihre Genexpression kann einfach durch Mikroinjektionsverfahren verändert werden. Da die Embryos außerdem durchsichtig sind, können frühe Entwicklungsprozesse einfach in lebenden Organismen beobachtet werden.

Zebrabärblinge besitzen auch einen hohen Grad an genetischer Konservation zu höheren Wirbeltieren, einschließlich zu uns Menschen. Das Zebrabärblingsgenom enthält 25 Chromosomen und 1.5 Millionen Basenpaare; es ist damit also etwa halb so groß wie das menschliche Genom. Trotzdem sind etwa 70% aller menschlichen Gene und 80% aller Gene, die menschliche Krankheiten auslösen, in Zebrabärblingen mit wenigstens einem Gen vertreten.

Nun dass wir wissen weshalb Zebrabärblinge großartige Modellorganismen sind, schauen wir uns an wie sie sich im Labor verdient gemacht haben. In den 1970er Jahren hat George Streisinger das Zebrabärblingsmodell im Labor etabliert. Zu dieser Zeit haben mehrere Gruppen die genetische Grundlage der Entwicklung von Fliegen und Würmern untersucht. Als jemand der Fische als Hobby hatte, hat Streisinger das Potenzial von Zebrabärblingen als Wirbeltiermodell der Entwicklung erkannt. Streisinger hat ein Verfahren entwickelt, um gynogenetische Embryos herzustellen, wessen genetisches Material nur von der Mutter abstammt und daher die Generationszeit verringert wird, um homozygote Mutanten herzustellen.

Es war jedoch nicht bis 1995, dass Charles Kimmel und Kollegen den Beitrag der gründichen Beschreibung der Entwicklung des Zebrabärblingsmodells für das Fachgebiet geleistet haben.

Ein Jahr später haben Christiane Nusslein Volhard, Mark Fishman und Wolfgang Driever die Ergebnisse des ersten groß angelegten, genetischen Wirbeltierscreens veröffentlicht, der in Boston in Massachusetts und in Tübingen in Deutschland ausgeführt wurde. Ausgehend von der Arbeit von Nusslein-Volhard in Drosophila, war der Zebrabärblingsscreen ausgelegt, um Gene, welche wichtig für die embryonale Entwicklung sind, zu identifizieren. Die Ergebnisse schließen einen Katalog mit mehr als 2000 mutierten Zebrabärblingen ein. Die Analyse dieser Mutanten hat uns seitdem viel über unsere eigene Biologie gelehrt.

Im Jahr 2005 haben Keith Cheng und Kollegen das slc24a5 Gen kloniert, also das Gen, was für die anormale Pigmentierung der goldenen Zebrabärblingsmutanten verantwortlich ist. Der „goldene“ Phänotyp hat Cheng’s Entdeckung, dass dieses bestimmte Gen für die Synthese des Pigments Melanin in Hautzellen von Menschen und Fischen verantwortlich ist, angeregt. Die Modifikationen in diesem Protein sind außerdem eng mit natürlichen Variationen der menschlichen Hautfarbe verbunden.

Im Jahr 2011 haben Forscher in Leonard Zon’s Labor das Zebrabärblingsmodell benutzt und ein neues Medikament gegen den Hautkrebs entdeckt. In einem chemischen Screen haben sie eine Klasse von Medikamenten, einschließlich von Leflunomid gefunden, welches das Wachstum von Zellen, die zur Hautkrebsentstehung beitragen, hemmt. Es finden gerade klinische Versuche [klinische Studien-more common] mit Leflunomid statt. Das Medikament ist ein Beispiel wie neue Medikamente in Hochdurchsatzscreens in Zebrabärblingen entdeckt werden können.

Nun dass wir wissen weshalb das Zebrabärblingsmodell so wertvoll ist, schauen wir uns an wie die Fische heutzutage in Labors verwendet werden.

Erstens sind Zebrabärblinge sehr gut geeignet, um erbliche humane Krankheiten zu erforschen. Die Krankheiten können einfach durch die Mikroinjektion von frühen Embryos reproduziert werden, um die Proteinexpression zu verändern. Dass kann auch für genetische Mutanten, wie zum Beispiel dem Modell der Muskeldystrophie Duchenne erreicht werden, bei welcher eine anormale Antwort auf Berührungen vorzufinden ist.

Da sich ihr angeborenes Immunsystem in den ersten Tagen nach der Befruchtung entwickelt, können Zebrabärblingsembryos auch für die Erforschung von Infektionskrankheiten verwendet werden. In dieser Studie wurden Bakterien in den Blutkreislauf gespritzt und dann die Antwort des Wirts mit Hilfe von Echtzeitabbildungsverfahren in transgenen Linien mit fluoreszenten Makrophagen visualisiert.

Wegen ihrer Durchsichtigkeit werden Zebrabärblingsembryos auch für hochmoderne neurowissenschaftliche Verfahren wie für die Optogenetik verwendet. Diese Forscher haben einen Embryo hergestellt, der ein Protein in einzelnen Neuronen exprimiert. Dadurch können die Forscher diese Zellen optisch aktivieren, um die spezifische Funktion dieser Zelle im neuronalen Kreislauf zu verstehen.

Das war JoVE’s Einführung in den Zebrabärbling, Danio rerio. In diesem Video haben wir gezeigt, dass der Zebrabärbling ein einzigartiger Wirbeltiermodellorganismus ist, in welchem die Vorteile eines wirbellosen Systems erhalten bleiben. In der Zukunft werden die Zebrabärblinge wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Verbesserung unseres Verständnisses von menschlichen Krankheiten und bei der Entdeckung von klinisch nützlichen Therapien spielen. Danke für eure Aufmerksamkeit!