4.3: Introduzione al pesce zebra: Danio rerio

Il Danio rerio, o pesce zebra, sono piccoli pesci che stanno facendo un grande colpo nella ricerca biomedica. Il pesce zebra depone centinaia di uova che si sviluppano esternamente, consentendo agli scienziati di eseguire manipolazioni genetiche e monitorare i fenotipi precoci in un organismo complesso. Dal momento che condividono gran parte del loro genoma con gli esseri umani, la ricerca sul pesce zebra ci sta aiutando nel nostro percorso verso la comprensione e il trattamento delle malattie umane. Questo video fornirà una panoramica del pesce zebra, le caratteristiche che lo rendono un ottimo modello e alcuni dei modi in cui viene utilizzato oggi nei laboratori.

Prima di parlare di tutta questa scienza ittica, conosciamo il pesce zebra. Come i topi e gli esseri umani, i pesci zebra sono vertebrati, il che significa che possiedono una spina dorsale.

Nello specifico, i pesci zebra sono pesci ossei della classe Actinopterygii, caratterizzati dalla presenza di raggi ossei nelle pinne. Più precisamente, il pesce zebra appartiene alla più grande famiglia di vertebrati: Cyprinidae, che contiene oltre 2.400 specie, tra cui l'adorabile pesce rosso.

Danio rerio sono tra i membri più piccoli di questa famiglia, con adulti che misurano 30-40 millimetri, o circa 1,5 pollici, di lunghezza. I pesci zebra prendono il nome perché assomigliano alle zebre. No, non proprio così. Il nome deriva dalle strisce che corrono lungo i loro corpi a forma di siluro.

Il pesce zebra è originario della regione himalayana, dove si trova in corpi d'acqua dolce che si muovono lentamente. Tuttavia, non è necessario viaggiare molto lontano per trovarli, poiché i Danios sono pesci resistenti che sono alla base degli acquari domestici.

Il ciclo di vita del pesce zebra avanza attraverso 4 principali fasi di sviluppo: embrione, larva, giovane e adulto. Il ciclo inizia quando le uova e lo sperma vengono rilasciati da una coppia di accoppiamento. Dopo la fecondazione, le fasi iniziali dello sviluppo progrediscono rapidamente, con gli embrioni che si schiudono in larve entro 3 giorni dopo la fecondazione, o dpf. Da questo punto, la progressione in un adulto sessualmente maturo richiede altri due o tre mesi.

Ora che sappiamo un po' di cose sul pesce zebra in natura, esaminiamo il motivo per cui sono così preziosi in laboratorio. Innanzitutto, i pesci zebra possono essere alloggiati ad alta densità e sono semplici da curare, il che li rende meno costosi da mantenere rispetto ad altri modelli di vertebrati.

Inoltre, i pesci zebra sono estremamente fertili. Le femmine mature possono deporre centinaia di uova su base settimanale.

Lo sviluppo esterno degli embrioni di zebrafish è estremamente conveniente, grazie alla facilità con cui l'espressione genica può essere manipolata con tecniche di microiniezione. Inoltre, poiché gli embrioni sono trasparenti, è possibile osservare processi di sviluppo precoci all'interno dell'organismo vivente.

È importante sottolineare che il pesce zebra possiede anche un alto grado di conservazione genetica con vertebrati superiori, compreso l'uomo. Il genoma del pesce zebra contiene 25 cromosomi e 1,5 miliardi di coppie di basi, che è circa la metà delle dimensioni del genoma umano. Ciononostante, circa il 70% di tutti i geni umani e l'80% di tutti i geni noti correlati alle malattie umane hanno almeno una controparte zebrafish.

Ora che sapete perché i pesci zebra sono ottimi organismi modello, diamo un'occhiata a come si sono guadagnati i loro galloni in laboratorio. Negli anni '70, George Streisinger ha aperto la strada alla creazione del modello del pesce zebra. A quel tempo, diversi gruppi stavano studiando le basi genetiche dello sviluppo di mosche e vermi. Come appassionato di pesci, Streisinger riconobbe il potenziale del pesce zebra come modello di sviluppo dei vertebrati. Streisinger sviluppò tecniche per rendere la ?ginegenetica? embrioni, il cui materiale genetico deriva interamente dalla madre, riducendo così il tempo di generazione necessario per ottenere mutanti omozigoti.

Fu solo nel 1995 che Charles Kimmel e colleghi contribuirono a una caratterizzazione approfondita del normale sviluppo del pesce zebra sul campo.

Un anno dopo, Christiane Nusslein-Volhard, Mark Fishman e Wolfgang Driever hanno pubblicato i risultati del primo screening genetico dei vertebrati su larga scala, condotto a Boston, Massachusetts e Tubinga, in Germania. Modellato sul lavoro di Nusslein-Volhard su Drosophila, questo schermo di pesce zebra è stato progettato per identificare i geni necessari per lo sviluppo embrionale. I risultati includevano un catalogo di oltre 2.000 pesci zebra mutanti. L'analisi di questi mutanti ci ha insegnato molto sulla nostra biologia.

Nel 2005, Keith Cheng e colleghi hanno clonato slc24a5: il gene responsabile della pigmentazione anomala nel mutante del pesce zebra dorato. Il fenotipo dorato ha ispirato la scoperta di Cheng che questo particolare gene è necessario nelle cellule della pelle umana e dei pesci per la sintesi del pigmento melanina, e che le modifiche nella proteina sono strettamente legate alle variazioni naturali del colore della pelle umana.

Nel 2011, i ricercatori del laboratorio di Leonard Zon hanno utilizzato embrioni di pesce zebra per identificare una nuova terapia per il melanoma. In uno screening chimico, hanno scoperto una classe di farmaci, tra cui la Leflunomide, che rallenta la crescita delle cellule che contribuiscono al melanoma. Ora in fase di sperimentazione clinica, Leflunomide è solo un esempio delle nuove terapie che potrebbero essere scoperte negli screening di zebrafish ad alto rendimento.

Ora che avete un'idea del valore del modello zebrafish, diamo un'occhiata ad alcuni dei modi in cui i pesci vengono utilizzati oggi nei laboratori.

Per cominciare, i pesci zebra sono molto utili per modellare malattie umane ereditarie. Gli stati patologici possono essere facilmente riprodotti mediante microiniezione di embrioni precoci per alterare l'espressione proteica. Questo può essere ottenuto anche da mutanti genetici, come questo modello di distrofia muscolare di Duchenne, che mostra una risposta anormale al tatto.

Poiché il loro sistema immunitario innato si sviluppa durante i primi giorni dopo la fecondazione, gli embrioni di zebrafish sono utili anche per la ricerca sulle malattie infettive. In questo studio, i batteri sono stati iniettati nel flusso sanguigno e la risposta dell'ospite è stata visualizzata in tempo reale utilizzando linee transgeniche con macrofagi fluorescenti.

Grazie alla loro trasparenza, gli embrioni di pesce zebra sono anche suscettibili di una tecnica neuroscientifica all'avanguardia chiamata optogenetica. Questi ricercatori hanno ingegnerizzato un embrione che esprime una proteina in neuroni isolati, che consente loro di attivare otticamente la cellula e determinare la sua funzione specifica in un circuito neurale.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE al pesce zebra, Danio rerio. In questo video, abbiamo dimostrato che il pesce zebra è un organismo modello di vertebrato unico con molti dei vantaggi dei sistemi invertebrati. In futuro, è probabile che il pesce zebra svolga un ruolo significativo nel migliorare la nostra comprensione delle malattie umane e la nostra scoperta di terapie clinicamente utili. Grazie per l'attenzione!