제브라피쉬 소개: 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

Zebrafish(Danio rerio)는생물 의학 연구를위한 모델 유기체로 사용되는 작은 민물 물고기입니다. 이 물고기의 많은 강점은 인간과 유전 보존의 그들의 높은 수준을 포함하고 그들의 간단하고 저렴한 유지 보수. 추가적으로, 유전자 발현은 제브라피시 배아에서 쉽게 조작될 수 있고, 그들의 투명성은 발달 프로세스의 관찰을 허용합니다.

이 개요 비디오는 먼저 필로겐, 라이프 사이클 및 자연 환경을 포함한 기본적인 제브라피시 생물학을 소개한 후 실험실에서 유용하게 만드는 기능을 제공합니다. Zebrafish 연구의 간략한 역사는 또한 암과 같은 인간 적인 질병을 위한 새로운 치료의 발견에 능률적인 유전 검열을 위한 방법의 초기 설치에서 에 이르기까지 물고기에서 만든 중요한 발견의 검토를 통해 제공됩니다. 마지막으로, 제브라피시에서 수행되는 실험의 많은 방법 중 일부는 면역 및 발달 연구를 포함하여 논의됩니다.

Procedure

다리오 레리오( Danio rerio)또는 제브라피쉬는 생물 의학 연구에서 큰 반향을 일으키고 있는 작은 물고기입니다. Zebrafish는 외부적으로 발전하는 수백 개의 알을 낳아 과학자들이 유전 적 조작을 수행하고 복잡한 유기체에서 초기 표현형을 모니터링 할 수 있게합니다. 그들은 인간과 그들의 게놈의 대부분을 공유 하기 때문에, 제브라피시 연구는 이해 하 고 인간 질병을 치료에 우리의 방법에 우리를 돕고 있다. 이 비디오는 제브라피시의 개요, 훌륭한 모델을 만드는 기능 및 오늘날 실험실에서 사용되는 몇 가지 방법을 제공합니다.

우리가 모든 비린내 과학에 대해 이야기하기 전에, 제브라피시를 알게합시다. 쥐와 인간처럼, 얼룩말물고기는 척추동물이며, 이는 백본을 가지고 있다는 것을 의미합니다.

특히, 얼룩말물고기는 고지느미에 뼈선이 있는 것을 특징으로 하는 클래스 Actinopterygii에서 뼈물고기입니다. 더 정확하게, 제브라피쉬는 가장 큰 척추동물 가문인 사이프리니다(Cyprinidae)에 속하며, 이 종은 사랑스러운 금붕어를 포함하여 2,400종 이상 함유되어 있습니다.

Danio rerio는 이 가족의 가장 작은 구성원 중 하나이며 성인은 30 – 40 밀리미터 또는 약 1.5 인치 길이입니다. 얼룩말물고기는 얼룩말과 유사하기 때문에 이름을 얻습니다. 아니, 아주 그런. 이름은 어뢰 모양의 바디의 길이를 실행하는 줄무늬에서 파생됩니다.

얼룩말피쉬는 히말라야 지역에서 유래하여 느리게 움직이는 담수에서 발견됩니다. 그러나 다이노스는 홈 아쿠아리움의 주요 생선이기 때문에 찾기 위해 멀리 여행할 필요가 없습니다.

제브라피시 수명 주기는 배아, 애벌레, 청소년 및 성인의 4가지 주요 발달 단계를 통해 진행됩니다. 주기는 계란과 정액이 짝짓기 쌍에 의해 풀어 놓일 때 시작됩니다. 수정 후, 개발의 초기 단계는 빠르게 진행, 배아가 유충으로 부화와 함께 3 일 후 수정, 또는 dpf. 이 시점에서, 성적으로 성숙한 성인으로 진행 하려면 추가 2 ~ 3 개월 필요.

야생에서 제브라피시에 대해 조금 알고 있기 때문에 실험실에서 왜 그렇게 가치가 있는지 살펴보겠습니다. 첫째, 제브라피쉬는 고밀도로 보관할 수 있으며 관리가 간단하므로 다른 척추 동물 모델보다 유지 관리가 저렴합니다.

다음으로, 제브라피쉬는 매우 비옥합니다. 성숙한 암컷은 매주 수백 개의 알을 낳을 수 있습니다.

제브라피시 배아의 외부 발달은 미세 주입 기술에 의해 유전자 발현이 조작될 수 있는 용이성 때문에 매우 편리합니다. 추가적으로, 태아는 투명하기 때문에, 초기 발달 과정은 살아있는 유기체 내에서 관찰될 수 있습니다.

중요한 것은, 제브라피쉬는 인간을 포함하여 더 높은 척추동물을 가진 유전 보존의 높은 수준을 가지고 있습니다. 제브라피시 게놈에는 25개의 염색체와 15억 개의 염기 쌍을 포함하며, 이는 인간 게놈의 약 절반 크기입니다. 그럼에도 불구 하 고, 모든 인간의 유전자의 약 70%, 그리고 80% 모든 알려진 된 인간 질환 관련 유전자의 적어도 하나의 제브라피시 대응.

이제 제브라피쉬가 훌륭한 모델 유기체를 만드는 이유를 알게 되었으므로 실험실에서 줄무늬를 어떻게 얻었는지 살펴보겠습니다. 1970년대에 조지 스트라이싱거는 제브라피쉬 모델의 설립을 개척했습니다. 당시, 몇몇 단은 파리와 벌레에 있는 발달의 유전 기초를 조사하고 있었습니다. 생선 취미로, Streisinger는 개발의 척추 동물 모델로 제브라피시의 잠재력을 인식. Streisinger는 유전 물질이 어머니에게서 전적으로 파생되는 “gynogenetic” 배아를 만들기 위한 기술을 개발하여 동종가성 돌연변이를 얻는 데 필요한 생성 시간을 줄였습니다.

찰스 킴멜과 동료들이 이 분야에 정상적인 제브라피시 개발의 철저한 특성을 기여한 것은 1995년까지의 시간이었습니다.

1 년 후, 크리스티안 누슬린 볼하르트, 마크 피쉬맨과 볼프강 드리에버보스턴, 매사추세츠, 튜빙겐, 독일에서 실시 된 최초의 대규모 척추 동물 유전 화면의 결과를 발표했다. 드로소필라에서 Nusslein-Volhard의 작업을 모델로 한 이 얼룩말 물고기 스크린은 배아 발달에 필요한 유전자를 식별하도록 설계되었습니다. 그 결과 2,000개 이상의 돌연변이 제브라피시 카탈로그가 포함되었습니다. 이 돌연변이의 분석은 그 이후로 우리 자신의 생물학에 관하여 저희에게 큰 거래를 가르쳐 주었습니다.

2005년, Keith Cheng과 동료들은 slc24a5: 황금 제브라피시 돌연변이의 비정상적인 색소 침착을 담당하는 유전자를 복제했습니다. 황금 표현형은 이 특정 유전자가 안료 멜라닌의 합성을 위해 물고기와 인간 피부 세포에서 요구되고, 단백질의 변형이 인간의 피부 색의 자연적인 변이와 밀접하게 연관된다는 Cheng의 발견에 영감을 주었습니다.

2011년, 레너드 존의 실험실에 있는 연구원은 흑색종에 대한 새로운 치료를 확인하기 위하여 제브라피시 배아를 이용했습니다. 화학 화면에서, 그들은 흑색종에 기여하는 세포의 성장을 둔화 Leflunomide를 포함하여 약물의 클래스를 발견했다. 지금 임상 시험에서, Leflunomide는 고처리량 제브라피시 스크린에서 발견될 가능성이 있는 새로운 치료의 한 보기에 불과하다.

이제 제브라피쉬 모델의 가치에 대한 느낌을 갖게 되었으므로 오늘날 실험실에서 물고기가 사용되는 몇 가지 방법을 살펴보겠습니다.

우선, 제브라피쉬는 헤아링 가능한 인간 질병을 모델링하는 데 매우 유용합니다. 질병 상태는 단백질 발현을 바꾸기 위하여 초기 태아의 미세 주입에 의해 쉽게 재현될 수 있습니다. 이것은 또한 접촉에 이상한 반응을 전시하는 Duchenne 근 이영양증의 이 모형과 같은 유전 돌연변이에 의해 달성될 수 있습니다.

그들의 타고난 면역 계통이 풍부하게 함 후에 처음 며칠 도중 발전하기 때문에, 제브라피시 태아는 또한 전염병 연구에 유용합니다. 이 연구에서는 박테리아가 혈류로 주입되었고, 숙주 반응은 형광 대식세포가 있는 형질대사를 사용하여 실시간으로 시각화되었다.

그들의 투명성 덕분에, 제브라피시 배아는 또한 광유전학에게 불린 최첨단 신경 과학 기술에 순종합니다. 이 연구원은 고립된 뉴런에 있는 단백질을 표현하는 태아를 설계했습니다, 그(것)들이 세포를 광학적으로 활성화하고 신경 회로에 있는 그것의 특정 기능을 결정하는 것을 허용합니다.

당신은 제브라피시, 다리오 레리오에조브의 소개를 보았다. 이 비디오에서, 우리는 제브라피쉬가 무척추 동물 시스템의 많은 장점을 가진 독특한 척추 동물 모형 유기체이다는 것을 보여주었습니다. 미래에, 제브라피쉬는 인간 질병에 대한 우리의 이해와 임상적으로 유용한 치료법의 발견을 개선하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 시청해 주셔서 감사합니다!

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!