Een introductie tot de zebravis: Danio rerio

Danio rerio, of zebravissen, zijn kleine vissen die een grote impact hebben op biomedisch onderzoek. Zebravissen leggen honderden eieren die extern ontwikkelen, waardoor wetenschappers genetische manipulaties kunnen uitvoeren en vroege fenotypes in een complex organisme kunnen monitoren. Omdat ze een groot deel van hun genoom delen met mensen, helpt onderzoek naar zebravissen ons bij het begrijpen en behandelen van menselijke ziekten. Deze video geeft een overzicht van de zebravis, de kenmerken die hen tot uitstekende modellen maken en enkele manieren waarop ze tegenwoordig in laboratoria worden gebruikt.

Voordat we dieper ingaan op de wetenschap achter deze vissen, maken we eerst kennis met de zebravis. Net als muizen en mensen zijn zebravissen gewervelde dieren, wat betekent dat ze een ruggengraat hebben.

Specifiek zijn zebravissen beenvissen uit de klasse Actinopterygii, die worden gekenmerkt door de aanwezigheid van benige stralen in hun vinnen. Meer precies behoren zebravissen tot de grootste familie van gewervelde dieren: de Cyprinidae, die meer dan 2.400 soorten omvat, waaronder de geliefde goudvis.

Danio rerio behoren tot de kleinste leden van deze familie; volwassen exemplaren hebben een lengte van 30 - 40 millimeter, of ongeveer 1,5 inch. Zebravissen danken hun naam aan hun gelijkenis met zebra's. Nee, niet letterlijk. De naam is afgeleid van de strepen die over de lengte van hun torpedo-vormige lichaam lopen.

Zebravissen zijn afkomstig uit de Himalaya-regio, waar ze voorkomen in langzaam stromende zoetwatervoorraden. Je hoeft echter niet ver te reizen om ze te vinden, aangezien Danio's sterke vissen zijn die veel voorkomen in thuisaquaria.

De levenscyclus van de zebravis verloopt via 4 belangrijke ontwikkelingsstadia: embryo, larve, juveniel en volwassen. De cyclus begint wanneer eicellen en spermacellen worden vrijgegeven door een parend paar. Na de bevruchting verlopen de eerste ontwikkelingsfasen snel, waarbij embryo's uiterlijk 3 dagen na bevruchting, of dpf, uitkomen als larven. Vanaf dat moment duurt het nog twee tot drie maanden voordat ze uitgroeien tot seksueel volwassen vissen.

Nu we iets meer weten over zebravissen in het wild, laten we bespreken waarom ze zo waardevol zijn in het laboratorium. Ten eerste kunnen zebravissen in hoge dichtheid worden gehouden en zijn ze eenvoudig te verzorgen, waardoor ze minder duur zijn in onderhoud dan andere gewervelde modelorganismen.

Daarnaast zijn zebravissen extreem vruchtbaar. Volwassen vrouwtjes kunnen wekelijks honderden eitjes leggen.

De externe ontwikkeling van zebravissenembryo's is zeer praktisch vanwege het gemak waarmee genexpressie kan worden gemanipuleerd middels microinjectietechnieken. Bovendien kunnen vroege ontwikkelingsprocessen binnen het levende organisme worden waargenomen, omdat de embryo's transparant zijn.

Belangrijk is dat zebravissen ook een hoge mate van genetische conservering vertonen met hogere gewervelden, waaronder mensen. Het genoom van de zebravis bestaat uit 25 chromosomen en 1,5 miljard baseparen, wat ongeveer de helft van de grootte van het menselijk genoom is. Desondanks hebben ongeveer 70% van alle menselijke genen en 80% van alle bekende menselijke ziektegerelateerde genen minstens één tegenhanger bij de zebravis.

Nu u weet waarom zebravisjes uitstekende modelorganismen zijn, laten we eens kijken hoe ze hun plek in het laboratorium hebben verdiend. In de jaren 70 was George Streisinger de pionier bij de vestiging van het zebravismodel. In die tijd onderzochten verschillende groepen de genetische basis van ontwikkeling bij vliegen en wormen. Als liefhebber van vissen herkende Streisinger het potentieel van zebravisjes als vertebratenmodel voor ontwikkeling. Streisinger ontwikkelde technieken voor het maken van "gynogenetische" embryo's, waarvan het genetisch materiaal volledig van de moeder afkomstig is, waardoor de generatietijd die nodig is om homozygote mutanten te verkrijgen werd verkort.

Pas in 1995 droegen Charles Kimmel en collega's een grondige karakterisering van de normale ontwikkeling van de zebravis bij aan het vakgebied.

Een jaar later publiceerden Christiane Nusslein-Volhard, Mark Fishman en Wolfgang Driever de resultaten van de eerste grootschalige genetische screen voor vertebraten, die werd uitgevoerd in Boston, Massachusetts en Tübingen, Duitsland. Deze zebravis-screen, gemodelleerd naar het werk van Nusslein-Volhard met Drosophila, was ontworpen om genen te identificeren die nodig zijn voor de embryonale ontwikkeling. De resultaten bevatten een catalogus van meer dan 2.000 mutante zebravisjes. De analyse van deze mutanten heeft ons sindsdien veel geleerd over onze eigen biologie.

In 2005 kloneerden Keith Cheng en collega's slc24a5: het gen dat verantwoordelijk is voor de abnormale pigmentatie in de gouden zebravismutant. Het gouden fenotype inspireerde Chengs ontdekking dat dit specifieke gen in vis- en menselijke huidcellen vereist is voor de synthese van het pigment melanine, en dat modificaties in het eiwit nauw verbonden zijn met natuurlijke variaties in de menselijke huidskleur.

In 2011 gebruikten onderzoekers in het laboratorium van Leonard Zon zebravisembryo's om een nieuwe therapie voor melanoom te identificeren. In een chemische screen ontdekten ze een klasse geneesmiddelen, waaronder Leflunomide, die de groei van cellen die bijdragen aan melanoom vertraagden. Leflunomide, dat zich nu in klinische studies bevindt, is slechts één voorbeeld van de nieuwe therapieën die waarschijnlijk zullen worden ontdekt in high-throughput zebravis-screens.

Nu u een idee heeft van de waarde van het zebravismodel, bekijken we enkele manieren waarop vissen tegenwoordig in laboratoria worden gebruikt.

Om te beginnen zijn zebravissen zeer nuttig voor het modelleren van erfelijke menselijke ziekten. Ziektebeelden kunnen eenvoudig worden gereproduceerd door micro-injectie in vroege embryo's om de eiwitexpressie te wijzigen. Dit kan ook worden bereikt met genetische mutanten, zoals dit model voor Duchenne spierdystrofie, dat een abnormale reactie op aanraking vertoont.

Omdat hun aangeboren immuunsysteem zich ontwikkelt tijdens de eerste dagen na de bevruchting, zijn zebravissenembryo's ook nuttig voor onderzoek naar infectieziekten. In deze studie werden bacteriën in de bloedbaan geïnjecteerd en werd de gastheerrespons in real-time gevisualiseerd met behulp van transgene lijnen met fluorescerende macrofagen.

Dankzij hun transparantie zijn zebravissenembryo's ook geschikt voor een geavanceerde neurowetenschappelijke techniek genaamd optogenetica. Deze onderzoekers ontwikkelden een embryo dat een eiwit tot expressie brengt in geïsoleerde neuronen, waardoor ze de cel optisch kunnen activeren en de specifieke functie ervan in een neuraal circuit kunnen bepalen.

U heeft zojuist de introductie van JoVE over de zebravis, Danio rerio, bekeken. In deze video hebben we aangetoond dat zebravisen een uniek gewervelde modelorganisme zijn met veel van de voordelen van ongewervelde systemen. In de toekomst zullen zebravisen waarschijnlijk een belangrijke rol spelen bij het verbeteren van ons begrip van menselijke ziekten en bij de ontdekking van klinisch bruikbare therapeutica. Bedankt voor het kijken!