Una introducción al pez cebra: Danio rerio

An Introduction to the Zebrafish: <i>Danio rerio</i>

JoVE Science Education
Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick

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JoVE Science Education Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick

An Introduction to the Zebrafish: Danio rerio

4.2: Zebrafish Breeding and Embryo Handling

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08:31 min

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April 30, 2023

Overview

Pez cebra (Danio rerio) son pequeños peces de agua dulce que se utilizan como organismos modelo para la investigación biomédica. Los muchos puntos fuertes de estos peces son su alto grado de conservación genética con los seres humanos y su mantenimiento simple y económico. Además, la expresión génica puede ser manipulada fácilmente en embriones de pez cebra, y su transparencia permite la observación de procesos de desarrollo.

Este video resumen primero introduce biología de pez cebra básico, incluyendo su filogenia, ciclo de vida y medio ambiente, antes de presentar las características que los hacen tan útiles en el laboratorio. Una breve historia de la investigación de pez cebra también se proporciona a través de una revisión de importantes descubrimientos realizados en peces, que van desde el temprano establecimiento de métodos para la detección genética eficiente al descubrimiento de nuevas terapias para enfermedades humanas como el cáncer. Por último, algunas de las muchas avenidas de experimentación realizada en el pez cebra se discuten, incluyendo estudios inmunológicos y del desarrollo.

Procedure

Danio rerioo pez cebra, son peces pequeños que están haciendo un chapoteo grande en la investigación biomédica. Pez cebra pone cientos de huevos que se desarrollan desde el exterior, permitiendo a los científicos a realizar manipulaciones genéticas y monitorear primeros fenotipos en un organismo complejo. Puesto que gran parte de su genoma comparten con los seres humanos, investigación de pez cebra nos ayuda en nuestro camino a la comprensión y tratamiento de la enfermedad humana. Este video le proporcionará una visión general del pez cebra, las características que los hacen grandes modelos, y algunas de las formas en que se utilizan en los laboratorios de hoy.

Antes de hablar de ciencia de todo lo que a pescado, vamos a conocer al pez cebra. Como ratones y seres humanos, pez cebra son vertebrados, lo que significa que poseen una columna vertebral.

Concretamente, el pez cebra son peces de la clase Actinopterygii, caracterizada por la presencia de rayos óseas en sus aletas. Más precisamente, pez cebra pertenece a la familia vertebrada más grande solo: Cyprinidae, que contiene más de 2.400 especies, incluyendo el adorable pececito.

Danio rerio están entre los más pequeños miembros de esta familia, con adultos miden 30-40 milímetros, o aproximadamente 1,5 pulgadas, de largo. Pez cebra recibe su nombre porque se asemejan a las cebras. No, no es así. El nombre deriva de las franjas a lo largo de sus cuerpos en forma de torpedo.

Pez cebra se originan de la región del Himalaya, donde se encuentran en lento movimiento cuerpos de agua dulce. Sin embargo, no necesitas viajar muy lejos para encontrarlos, como Danios son peces resistentes que son básicos de hogar acuarios.

El ciclo de vida del pez cebra avanza a través de 4 grandes etapas del desarrollo: embrión, larva, juvenil y adulto. El ciclo comienza cuando los huevos y el esperma es liberada por un par de acoplamiento. Después de la fertilización, las etapas iniciales de progreso del desarrollo rápidamente, con embriones tramar larvas por 3 días post fecundación o PD. Desde este punto, progresión en un adulto sexualmente maduro requiere de dos a tres meses adicionales.

Ahora que sabemos un poco de pez cebra en la naturaleza, vamos a revisar por qué son tan valiosos en el laboratorio. En primer lugar, pez cebra puede ser ubicado en alta densidad y son fácil de cuidar, lo que menos costoso de mantener que otros modelos de vertebrados.

A continuación, pez cebra son extremadamente fértiles. Las hembras maduras pueden poner cientos de huevos cada semana.

El desarrollo externo de los embriones de pez cebra es muy conveniente, debido a la facilidad con que la expresión génica puede ser manipulada por técnicas de microinyección. Además, puesto que los embriones son transparentes, primeros procesos de desarrollo se observan en el organismo vivo.

Lo importante, pez cebra también poseen un alto grado de conservación genética con los vertebrados superiores, incluidos los seres humanos. El genoma del pez cebra contiene 25 cromosomas y 1,5 billones de pares de bases, que es aproximadamente la mitad del genoma humano. Sin embargo, aproximadamente el 70% de todos los genes humanos y el 80% de todas las enfermedades humanas conocidas relacionadas con genes tienen al menos una contraparte de pez cebra.

Ahora que ya sabe por qué el pez cebra hacer organismos modelo gran, echemos un vistazo a cómo han ganado sus rayas en el laboratorio. En la década de 1970, George Streisinger pionero en el establecimiento del modelo de pez cebra. En el momento, varios grupos estaban investigando la base genética del desarrollo de moscas y gusanos. Como un aficionado de pescado Streisinger reconoció el potencial del pez cebra como modelo de desarrollo de vertebrados. Streisinger desarrollaron técnicas para la fabricación de embriones “gynogenetic”, cuyo material genético se deriva enteramente de la madre, reduciendo el tiempo de generación necesario para obtener a mutantes homocigóticos.

No fue hasta 1995 Charles Kimmel y colegas contribuyeron una caracterización exhaustiva del desarrollo del pez cebra normal al campo.

Un año más tarde, Christiane Nusslein-Volhard, Mark Fishman y Wolfgang Driever publicaron los resultados de la primera pantalla genética vertebrado a gran escala, que se llevó a cabo en Boston, Massachusetts y en Tubingen, Alemania. Modelo de trabajo de Nusslein-Volhard en Drosophila, esta pantalla de pez cebra fue diseñada para identificar los genes necesarios para el desarrollo embrionario. Los resultados incluyen un catálogo de más de 2.000 peces cebra mutante. Análisis de estos mutantes ya que nos ha enseñado mucho acerca de nuestra propia biología.

En 2005, Keith Cheng y colaboradores clonaron slc24a5: el gen responsable de la pigmentación anormal en el dorado pez cebra mutante. El fenotipo de oro inspiró descubrimiento de Cheng que éste gen en particular es necesaria en los peces y las células de piel humana para la síntesis de la melanina de pigmento, y que modificaciones en la proteína están fuertemente vinculados a natural variaciones en el color de la piel humana.

En 2011, investigadores en el laboratorio de Leonard Zon utilizan embriones de pez cebra para identificar una novela terapéutica para el melanoma. En una pantalla química, descubrieron una clase de medicamentos, como la leflunomida, que se desaceleró el crecimiento de células que contribuyen al melanoma. En ensayos clínicos, leflunomida, es sólo un ejemplo de la novedosa terapéutica probablemente en pantallas de pez cebra de alto rendimiento.

Ahora que tienes una idea del valor del modelo de pez cebra, echemos un vistazo a algunas de las maneras en que pescados se utilizan en los laboratorios de hoy.

Para empezar, el pez cebra son muy útiles para modelar enfermedades humanas hereditarias. Estados de la enfermedad pueden ser fácilmente reproducidos por microinyección de embriones tempranos para alterar la expresión de la proteína. Esto puede lograrse también por mutantes genéticos, como este modelo de distrofia muscular de Duchenne, que exhibe una respuesta anormal al tacto.

Puesto que su sistema inmune innato se desarrolla durante los primeros días post fecundación, embriones de pez cebra también son útiles para la investigación de enfermedades infecciosas. En este estudio, las bacterias fueron inyectadas en el torrente sanguíneo, y la respuesta del huésped fue visualizada en tiempo real con líneas transgénicas de macrófagos fluorescentes.

Gracias a su transparencia, también son susceptibles de una técnica de Neurociencias de vanguardia llamada optogenetics embriones de pez cebra. Estos investigadores diseñado un embrión que expresa una proteína en las neuronas aisladas, que les permite activar la célula ópticamente y determinar su función específica en un circuito neuronal.

Sólo ha visto la introducción de Zeus en el pez cebra, Danio rerio. En este video, hemos demostrado que pez cebra son un organismo modelo único vertebrado con muchas de las ventajas de los sistemas invertebrados. En el futuro, pez cebra son capaces de desempeñar un papel significativo en la mejora de nuestra comprensión de la enfermedad humana y el descubrimiento de la terapéutica clínicamente útil. ¡Gracias por ver!

Transcript

Danio rerio, or zebrafish, are small fish that are making a big splash in biomedical research. Zebrafish lay hundreds of eggs that develop externally, allowing scientists to perform genetic manipulations and monitor early phenotypes in a complex organism. Since they share much of their genome with humans, zebrafish research is helping us on our way to understanding and treating human disease. This video will provide an overview of the zebrafish, the features that make them great models, and some of the ways in which they are used in labs today.

Before we talk about all that fishy science, let’s get to know the zebrafish. Like mice and humans, zebrafish are vertebrates, meaning they possess a backbone.

Specifically, zebrafish are bony fish in the class Actinopterygii, characterized by the presence of bony rays in their fins. More precisely, zebrafish belong to the single largest vertebrate family: Cyprinidae, which contains over 2,400 species, including the loveable goldfish.

Danio rerio are among the smallest members of this family, with adults measuring 30 – 40 millimeters, or about 1.5 inches, long. Zebrafish get their name because they resemble zebras. No, not quite like that. The name derives from the stripes running the length of their torpedo-shaped bodies.

Zebrafish originate from the Himalayan region, where they are found in slow-moving bodies of fresh water. However, you don’t need to travel very far to find them, as Danios are hardy fish that are staples of home aquariums.

The zebrafish life cycle advances through 4 major developmental stages: Embryo, larva, juvenile and adult. The cycle begins when eggs and sperm are released by a mating pair. After fertilization, the initial stages of development progress rapidly, with embryos hatching into larvae by 3 days post fertilization, or dpf. From this point, progression into a sexually mature adult requires an additional two to three months.

Now that we know a little bit about zebrafish in the wild, let’s review why they are so valuable in the lab. First, zebrafish can be housed at high density and are simple to care for, making them less expensive to maintain than other vertebrate models.

Next, zebrafish are extremely fertile. Mature females can lay hundreds of eggs on a weekly basis.

The external development of zebrafish embryos is extremely convenient, because of the ease with which gene expression can be manipulated by microinjection techniques. Additionally, since embryos are transparent, early developmental processes can be observed within the living organism.

Importantly, zebrafish also possess a high degree of genetic conservation with higher vertebrates, including humans. The zebrafish genome contains 25 chromosomes and 1.5 billion base pairs, which is about half the size of the human genome. Nevertheless, approximately 70% of all human genes, and 80% of all known human disease related genes have at least one zebrafish counterpart.

Now that you know why zebrafish make great model organisms, let’s take a look at how they’ve earned their stripes in the lab. In the 1970s, George Streisinger pioneered the establishment of the zebrafish model. At the time, several groups were investigating the genetic basis of development in flies and worms. As a fish hobbyist, Streisinger recognized the potential of zebrafish as a vertebrate model of development. Streisinger developed techniques for making “gynogenetic” embryos, whose genetic material derives entirely from the mother, thus reducing the generation time required to obtain homozygous mutants.

It wasn’t until 1995 that Charles Kimmel and colleagues contributed a thorough characterization of normal zebrafish development to the field.

One year later, Christiane Nusslein-Volhard, Mark Fishman and Wolfgang Driever published the results of the first large-scale vertebrate genetic screen, which was conducted in Boston, Massachusetts and Tubingen, Germany. Modeled after Nusslein-Volhard’s work in Drosophila, this zebrafish screen was designed to identify genes required for embryonic development. The results included a catalog of more than 2,000 mutant zebrafish. Analysis of these mutants has since taught us a great deal about our own biology.

In 2005, Keith Cheng and colleagues cloned slc24a5: the gene responsible for abnormal pigmentation in the golden zebrafish mutant. The golden phenotype inspired Cheng’s discovery that this particular gene is required in fish and human skin cells for synthesis of the pigment melanin, and that modifications in the protein are tightly linked to natural variations in human skin color.

In 2011, researchers in Leonard Zon’s lab used zebrafish embryos to identify a novel therapeutic for melanoma. In a chemical screen, they discovered a class of drugs, including Leflunomide, that slowed the growth of cells that contribute to melanoma. Now in clinical trials, Leflunomide is but one example of the novel therapeutics likely to be discovered in high-throughput zebrafish screens.

Now that you have a feel for the value of the zebrafish model, let’s look at some of the ways in which fish are used in labs today.

To begin, zebrafish are very useful for modeling heritable human diseases. Disease states can be easily reproduced by microinjection of early embryos to alter protein expression. This can also be achieved by genetic mutants, such as this model of Duchenne muscular dystrophy, which exhibits an abnormal response to touch.

Since their innate immune system develops during the first few days post fertilization, zebrafish embryos are also useful for infectious disease research. In this study, bacteria were injected into the bloodstream, and the host response was visualized in real time using transgenic lines with fluorescent macrophages.

Thanks to their transparency, zebrafish embryos are also amenable to a cutting edge neuroscience technique called optogenetics. These researchers engineered an embryo that expresses a protein in isolated neurons, which allows them to optically activate the cell and determine its specific function in a neural circuit.

You’ve just watched JoVE’s introduction to the zebrafish, Danio rerio. In this video, we’ve demonstrated that zebrafish are a unique vertebrate model organism with many of the advantages of invertebrate systems. In the future, zebrafish are likely to play a significant role in improving our understanding of human disease and our discovery of clinically useful therapeutics. Thanks for watching!

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