ゼブラフィッシュ入門: 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

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08:31 min
April 30, 2023

Overview

ゼブラフィッシュ(Danio rerio)は、生物医学研究のモデル生物として利用される小さな淡水魚です。ゼブラフィッシュとヒトの遺伝子には非常に多くの共通点があり、簡単に、そして低コストで飼育できることは研究にとって大きな利点となります。さらにゼブラフィッシュ胚は遺伝子発現を容易に操作でき、また胚が透明であるため発生過程の観察が可能となります。

このビデオでは最初に、系統発生、生活環、生活環境などのゼブラフィッシュの基本的な生態を紹介し、その後、研究に有用となるゼブラフィッシュの特徴について説明しています。また、効率的に遺伝子スクリーニングを実施した初期の研究から、ガンのようなヒト疾患のための新しい治療法まで、ゼブラフィッシュを用いて成された偉大な発見を通してこれまでの歴史を振り返ります。そして最後に、ゼブラフィッシュを用いた免疫学や発生学などの最先端研究を紹介しています。

Procedure

Danio rerio別名ゼブラフィッシュは、生物学研究に大変革をもたらしました。ゼブラフィッシュは、一度に何百個もの卵を産卵し、体外で胚発生するため、遺伝子操作や初期の複雑な表現型の解析が容易になります。ヒトゲノムと類似しているため、ゼブラフィッシュを用いた研究はヒト疾患の解明に有益です。このビデオでは、ゼブラフィッシュの概要とすばらしいモデル生物となり得る特徴、そして今日の研究でどのように活躍しているのかを紹介していきます。

サイエンスの前に、ゼブラフィッシュについてもう少しお話しておきましょう。マウスやヒトと同様にゼブラフィッシュは、背骨を持つ脊椎動物です。

ゼブラフィッシュは条鰭網(じょうきこう)に属する硬骨魚類であり、ひれに多数の筋があるのが特徴です。もっと厳密には、ゼブラフィッシュは、脊椎動物全体で最も大きなファミリーであるコイ科に属しています。コイ科にはキンギョなど2400種が所属しています。

ゼブラフィッシュはコイ科の中では最も小型であり、成魚でも体長は30から40mmほどです。ゼブラフィッシュはシマウマにちなんでその名がつけられました。そういう意味ではなく、体表にシマウマのような縦じまを持つことに由来しています。

ゼブラフィッシュは、ヒマラヤ地方原産で、淡水中にゆったりと生息しています。とはいっても見つけるためにわざわざ出かける必要はなく、簡単に手に入れることが出来ます。

ゼブラフィッシュの生活環は以下の4つの段階に分かれます。胚、幼生、稚魚、成魚です。雌と雄のペアが卵と精子を放出したとき生活環がスタートします。受精後すぐに初期発生が始まり、3日後までに胚が孵化し、幼生になります。この時点から子孫を残せる成魚になるまでは2ヶ月から3ヶ月を要します。

ここからはゼブラフィッシュが研究に有益なモデルとなる理由を考えていきましょう。第一に、狭いスペースで大量に飼育でき、ケアも単純で、他の脊椎動物のモデル生物に比べ低コストで維持できることが挙げられます。

次に、繁殖力が高く、成魚は週に1度の頻度で産卵することです。

そして研究にうってつけな点は、ゼブラフィッシュ胚が体外で発生することです。このことからマイクロインジェクション法による遺伝子発現を容易に操作できます。さらに、胚が透明であるため、初期発生過程を生きたまま観察することも可能です。

重要なことは、ゼブラフィッシュの遺伝子の多くがヒトを含む高等脊椎動物と共通していることです。ゼブラフィッシュのゲノムは、25の染色体と15億の塩基対から成ります。これはヒトゲノムの約半分のサイズであるにも関わらず、ヒトの遺伝子と約70%が共通しており、それらは現在知られているヒト疾患の約80%に相当します。

ゼブラフィッシュがいかに偉大なモデル生物であるか知ったところで、次は研究へどう貢献してきたかを見てみましょう。1970年代、George Streisingerがゼブラフィッシュモデルを確立しました。同時期に他のグループは、ショウジョウバエや線虫で発生遺伝学的基礎解析を行っていました。魚愛好家であったStreisingerは、ゼブラフィッシュが発生学研究の脊椎動物モデルとなる可能性を確信し、”雌性(しせい)単為(たんい)発生”胚の技術を発展させました。この胚のゲノムは完全に雌由来のため、短期間でホモ変異体を獲得することができます。

1995年、Charles Kimmelとその同僚は正常なゼブラフィッシュの詳細な特性解析を行い研究に寄与しました。

その1年後、Christiane Nusslein-Volhard、Mark Fishman、Wolfgang Drieverの3人は、脊椎動物での大規模な変異体スクリーニングをアメリカのボストンとドイツのチュービンゲンで実施した結果を発表しました。Nusslein-Volhardのショウジョウバエでの研究をモデルとし、胚発生に関わる遺伝子を特定するためにゼブラフィッシュのスクリーニングが実施され、2000個を超える突然変異体が報告されました。突然変異体の解析は我々自身の生態解明につながります。

2005年、Keith Changとその同僚は「ゴールデンゼブラフィッシュ」の色素異常に関わるslc24a5遺伝子のクローン化を行いました。「ゴールデン」表現型は、Changにひらめきを与え、この特異的遺伝子が、魚やヒトの皮膚細胞でのメラニン色素の合成に不可欠であり、さらにこの遺伝子の変異が多様なヒトの肌色と密接な関係にあることを報告しました。

2011年、Leonard Zon研究室の研究者が、ゼブラフィッシュ胚を用いた実験からメラノーマの新しい治療法を発見しました。化学物質のスクリーニングから、メラノーマを引き起こす細胞の増殖を抑制するレフルノミドを含む薬物群を見つけ出しました。現在、臨床試験中のレフルノミドは、ゼブラフィッシュのハイスループットスクリーニングにより選別された新薬の一例です。

ゼブラフィッシュのモデル生物としての価値を理解したところで、今日の研究について見ていきましょう。

ゼブラフィッシュはヒト遺伝性疾患モデルとして非常に有用です。初期胚へのマイクロインジェクションによりタンパク質発現を変化させることで、病態を簡単に再現できます。また、触覚に異常反応を示すデュシェンヌ型筋ジストロフィーモデルのような突然変異体の利用も可能です。

受精後数日で自然免疫系が確立されるため、ゼブラフィッシュ胚は感染性疾患の研究にも応用できます。この研究ではバクテリアを血流に注入し、宿主反応を蛍光標識されたマクロファージの形質転換系を使ってリアルタイムで映像化しています。

また、ゼブラフィッシュ胚は透明であるため、オプトジェネティクスと呼ばれる最先端の神経科学研究技術を応用することも可能です。胚に操作を加え、単離ニューロンにタンパク質を発現させ、細胞を光学活性化することで神経回路機能を特定することができます。

ここまでゼブラフィッシュ入門編をご覧いただきました。このビデオでは、ゼブラフィッシュが無脊椎動物モデル系の利点を合わせ持つ、優れた脊椎動物のモデル生物であることを実証してきました。今後、ゼブラフィッシュを用いた研究により更なるヒト疾患の病態解明や臨床的に有用な新しい治療法の発見が成されることでしょう。ご覧いただきありがとうございました

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!