Wprowadzenie do rybki danio: Danio rerio

Danio rerio, czyli danio pręgowany, to małe ryby, które odgrywają kluczową rolę w badaniach biomedycznych. Ryby te składają setki jaj rozwijających się zewnętrznie, co pozwala naukowcom na przeprowadzanie manipulacji genetycznych i monitorowanie wczesnych fenotypów w złożonym organizmie. Dzięki temu, że dzielą znaczną część genomu z ludźmi, badania nad danio pręgowanym pomagają nam w zrozumieniu i leczeniu ludzkich chorób. Niniejszy film zapewni przegląd informacji o danio pręgowanym, cechach czyniących go doskonałym modelem badawczym oraz sposobach, w jakie jest on obecnie wykorzystywany w laboratoriach.

Zanim przejdziemy do całej tej „rybiej” nauki, poznajmy danio prążkowanego. Podobnie jak myszy i ludzie, danio prążkowane są kręgowcami, co oznacza, że posiadają kręgosłup.

Zebrafish są konkretnie rybami kostnymi z klasy Actinopterygii, które charakteryzują się obecnością kostnych promieni w płetwach. Dokładniej rzecz ujmując, należą one do największej rodziny kręgowców: Cyprinidae, która obejmuje ponad 2400 gatunków, w tym urocze złote rybki.

Danio rerio są jednymi z najmniejszych przedstawicieli tej rodziny; osobniki dorosłe osiągają długość 30 - 40 mm, czyli około 1,5 cala. Nazwa zebrafish (ryba zebra) wzięła się stąd, że przypominają one zebry. Nie, nie do końca. Nazwa ta pochodzi od pasów biegnących wzdłuż ich torpedo-kształtnych ciał.

Danio prążkowane pochodzą z regionu Himalajów, gdzie występują w wolno płynących zbiornikach słodkowodnych. Nie trzeba jednak podróżować daleko, aby je znaleźć, ponieważ danio to wytrzymałe ryby, które są stałym elementem domowych akwariów.

Cykl życiowy danio prążkowanego przechodzi przez 4 główne stadia rozwojowe: embrion, larwa, osobnik młodzieńczy i osobnik dorosły. Cykl rozpoczyna się w momencie uwolnienia ikry i plemników przez parę w okresie godowym. Po zapłodnieniu początkowe stadia rozwoju postępują szybko; embriony wykluwają się w larwy do 3 dni po zapłodnieniu (dpf). Od tego momentu przejście w stadium dojrzałej płciowo osobniczej wymaga dodatkowych dwóch do trzech miesięcy.

Skoro wiemy już nieco o danio pręgowanym w jego naturalnym środowisku, przyjrzyjmy się, dlaczego są one tak cenne w warunkach laboratoryjnych. Po pierwsze, danio pręgowane mogą być utrzymywane w dużym zagęszczeniu i są łatwe w pielęgnacji, co sprawia, że ich utrzymanie jest mniej kosztowne niż w przypadku innych modeli kręgowców.

Kolejną zaletą jest ich niezwykła płodność. Dojrzałe samice mogą składać setki jaj w skali tygodnia.

Zewnętrzny rozwój embrionów danio pręgowanych jest niezwykle wygodny ze względu na łatwość manipulowania ekspresją genów za pomocą technik mikroiniekcji. Ponadto, dzięki temu, że embriony są przezroczyste, wczesne procesy rozwojowe mogą być obserwowane bezpośrednio w żywym organizmie.

Co istotne, danio pręgowane wykazują również wysoki stopień konserwacji genetycznej z kręgowcami wyższymi, w tym z ludźmi. Genom danio pręgowanych składa się z 25 chromosomów i 1,5 miliarda par zasad, co stanowi około połowy rozmiaru ludzkiego genomu. Niemniej jednak, około 70% wszystkich ludzkich genów oraz 80% wszystkich znanych genów związanych z ludzkimi chorobami posiada co najmniej jeden odpowiednik u danio pręgowanych.

Skoro już wiemy, dlaczego danio pręgowany jest doskonałym organizmem modelowym, przyjrzyjmy się temu, jak utorzył on swoją drogę w laboratoriach. W latach 70. George Streisinger zapoczątkował ustanowienie modelu danio pręgowanego. W tamtym czasie kilka grup badało podstawy genetyczne rozwoju u much i nicieni. Jako hobbysta akwarystyki, Streisinger dostrzegł potencjał danio pręgowanego jako kręgowca modelowego do badań nad rozwojem. Streisinger opracował techniki tworzenia embrionów „gynogenetycznych”, których materiał genetyczny pochodzi całkowicie od matki, co skróciło czas generacji potrzebny do uzyskania mutantów homozygotycznych.

Dopiero w 1995 roku Charles Kimmel i współpracownicy wnieśli wkład w rozwój dziedziny, przeprowadzając szczegółową charakterystykę prawidłowego rozwoju danio pręgowanego.

Rok później Christiane Nusslein-Volhard, Mark Fishman i Wolfgang Driever opublikowali wyniki pierwszego zakrojonego na szeroką skalę przesiewu genetycznego u kręgowców, który został przeprowadzony w Boston w Massachusetts oraz w Tübingen w Niemczech. Wzorowany na pracach Nusslein-Volhard nad Drosophila, ten przesiew u danio pręgowanego został zaprojektowany w celu zidentyfikowania genów niezbędnych do rozwoju embrionalnego. Wyniki objęły katalog ponad 2000 mutantów danio pręgowanego. Analiza tych mutantów dostarczyła od tego czasu ogromnej wiedzy na temat naszej własnej biologii.

W 2005 roku Keith Cheng i współpracownicy sklonowali slc24a5: gen odpowiedzialny za nieprawidłową pigmentację u mutanta złotego danio pręgowanego. Fenotyp złoty zainspirował Chenga do odkrycia, że ten konkretny gen jest niezbędny w komórkach skóry ryb i ludzi do syntezy pigmentu melaniny oraz że modyfikacje w białku są ściśle powiązane z naturalnymi różnicami w kolorze skóry człowieka.

W 2011 roku badacze z laboratorium Leonarda Zona wykorzystali embriony danio pręgowanego do zidentyfikowania nowej terapii czerniaka. W przesiewie chemicznym odkryli klasę leków, w tym leflunomid, które spowalniały wzrost komórek przyczyniających się do rozwoju czerniaka. Leflunomid, będący obecnie w fazie badań klinicznych, jest tylko jednym z przykładów nowych terapii, które prawdopodobnie zostaną odkryte dzięki wysokoprzepustowym przesiewom na danio pręgowanym.

Skoro znają już Państwo wartość modelu danio pręgowanego, przyjrzyjmy się sposobom, w jakie ryby te są obecnie wykorzystywane w laboratoriach.

Na początek warto zaznaczyć, że danio pręgowany jest bardzo użyteczny w modelowaniu dziedzicznych chorób ludzkich. Stany chorobowe można łatwo odtworzyć poprzez mikroiniekcję wczesnych embrionów w celu zmiany ekspresji białek. Można to również osiągnąć za pomocą mutantów genetycznych, takich jak ten model dystrofii mięśniowej Duchenne'a, który wykazuje nieprawidłową reakcję na dotyk.

Ponieważ ich wrodzony układ odpornościowy rozwija się w ciągu pierwszych kilku dni po zapłodnieniu, embriony danio pręgowanego są również przydatne w badaniach nad chorobami zakaźnymi. W tym badaniu bakterie wstrzyknięto do krwiobiegu, a odpowiedź gospodarza zwizualizowano w czasie rzeczywistym przy użyciu linii transgenicznych z fluorescencyjnymi makrofagami.

Dzięki swojej przejrzystości embriony danio pręgowanego nadają się również do zastosowania nowoczesnej techniki neuronaukowej zwanej optogenetyką. Badacze ci stworzyli embrion wykazujący ekspresję białka w wyizolowanych neuronach, co pozwala na optyczną aktywację komórki i określenie jej specyficznej funkcji w obwodzie neuronalnym.

Właśnie obejrzeli Państwo wprowadzenie JoVE do tematu danio prążkowanego, Danio rerio. W tym filmie wykazaliśmy, że danio prążkowany jest wyjątkowym kręgowym organizmem modelowym, który posiada wiele zalet typowych dla systemów bezkręgowych. W przyszłości ryby te prawdopodobnie odegrają istotną rolę w pogłębianiu naszej wiedzy na temat ludzkich chorób oraz w odkrywaniu terapeutyków o znaczeniu klinicznym. Dziękujemy za oglądanie!