Uma Introdução ao Zebrafish: Danio rerio

Danio rerio, ou zebrafish, são peixes pequenos que estão fazendo um grande respingo na pesquisa biomédica. O zebrafish põe centenas de ovos que se desenvolvem externamente, permitindo que os cientistas realizem manipulações genéticas e monitorem fenótipos precoces em um organismo complexo. Como eles compartilham grande parte de seu genoma com humanos, a pesquisa de zebrafish está nos ajudando em nosso caminho para entender e tratar doenças humanas. Este vídeo fornecerá uma visão geral do zebrafish, as características que os tornam ótimos modelos, e algumas das maneiras pelas quais eles são usados em laboratórios hoje.

Antes de falarmos sobre toda essa ciência de peixe, vamos conhecer os zebrafish. Como ratos e humanos, os zebrafish são vertebrados, o que significa que possuem uma espinha dorsal.

Especificamente, os zebrafish são peixes ósseos da classe Actinopterygii, caracterizados pela presença de raios ósseos em suas barbatanas. Mais precisamente, os zebrafish pertencem à maior família de vertebrados: Cyprinidae, que contém mais de 2.400 espécies, incluindo o adorável peixe dourado.

Danio rerio está entre os menores membros desta família, com adultos medindo de 30 a 40 milímetros, ou cerca de 1,5 polegadas, de comprimento. Zebrafish recebem seu nome porque se assemelham a zebras. Não, não é bem assim. O nome deriva das listras que executam o comprimento de seus corpos em forma de torpedo.

Os zebrafish são originários da região do Himalaia, onde são encontrados em corpos lentos de água doce. No entanto, você não precisa viajar muito longe para encontrá-los, como Danios são peixes resistentes que são grampos de aquários domésticos.

O ciclo de vida dos zebrafish avança através de 4 grandes estágios de desenvolvimento: embrião, larva, juvenil e adulto. O ciclo começa quando óvulos e espermatozoides são liberados por um par de acasalamento. Após a fertilização, os estágios iniciais de desenvolvimento avançam rapidamente, com embriões eclodindo em larvas por 3 dias após a fertilização, ou dpf. A partir deste ponto, a progressão para um adulto sexualmente maduro requer um adicional de dois a três meses.

Agora que sabemos um pouco sobre zebrafish na natureza, vamos rever por que eles são tão valiosos no laboratório. Primeiro, o zebrafish pode ser alojado em alta densidade e são simples de cuidar, tornando-os menos caros de manter do que outros modelos de vertebrados.

Em seguida, os zebrafish são extremamente férteis. Fêmeas maduras podem colocar centenas de ovos semanalmente.

O desenvolvimento externo de embriões de zebrafish é extremamente conveniente, devido à facilidade com que a expressão genética pode ser manipulada por técnicas de microinjeção. Além disso, uma vez que os embriões são transparentes, processos de desenvolvimento precoce podem ser observados dentro do organismo vivo.

É importante ressaltar que os zebrafish também possuem um alto grau de conservação genética com vertebrados mais altos, incluindo os humanos. O genoma dos zebrafish contém 25 cromossomos e 1,5 bilhão de pares de bases, que é cerca da metade do tamanho do genoma humano. No entanto, aproximadamente 70% de todos os genes humanos, e 80% de todos os genes relacionados à doença humana têm pelo menos uma contrapartida de zebrafish.

Agora que você sabe por que os zebrafish fazem grandes organismos modelo, vamos dar uma olhada em como eles ganharam suas listras no laboratório. Na década de 1970, George Streisinger foi pioneiro no estabelecimento do modelo zebrafish. Na época, vários grupos estavam investigando a base genética do desenvolvimento em moscas e vermes. Como um hobby de peixe, Streisinger reconheceu o potencial do zebrafish como um modelo de desenvolvimento vertebrado. Streisinger desenvolveu técnicas para fazer embriões "ginogéticos", cujo material genético deriva inteiramente da mãe, reduzindo assim o tempo de geração necessário para obter mutantes homozigosos.

Foi só em 1995 que Charles Kimmel e seus colegas contribuíram com uma caracterização completa do desenvolvimento normal de zebrafish para o campo.

Um ano depois, Christiane Nusslein-Volhard, Mark Fishman e Wolfgang Driever publicaram os resultados da primeira tela genética vertebrada em larga escala, que foi conduzida em Boston, Massachusetts e Tubingen, alemanha. Modelada após o trabalho de Nusslein-Volhard em Drosophila, esta tela de zebrafish foi projetada para identificar genes necessários para o desenvolvimento embrionário. Os resultados incluíram um catálogo de mais de 2.000 zebrafish mutantes. A análise desses mutantes nos ensinou muito sobre nossa própria biologia.

Em 2005, Keith Cheng e colegas clonaram slc24a5: o gene responsável pela pigmentação anormal no mutante de zebrafish dourado. O fenótipo dourado inspirou a descoberta de Cheng de que este gene em particular é necessário em peixes e células da pele humana para síntese do pigmento melanina, e que modificações na proteína estão fortemente ligadas a variações naturais na cor da pele humana.

Em 2011, pesquisadores do laboratório de Leonard Zon usaram embriões de zebrafish para identificar um novo terapêutico para melanoma. Em uma tela química, eles descobriram uma classe de drogas, incluindo Leflunomide, que retardaram o crescimento de células que contribuem para o melanoma. Agora, em ensaios clínicos, Leflunomide é apenas um exemplo da nova terapêutica que provavelmente será descoberta em telas de zebrafish de alto rendimento.

Agora que você tem uma noção do valor do modelo de zebrafish, vamos olhar para algumas das maneiras pelas quais os peixes são usados em laboratórios hoje.

Para começar, os zebrafish são muito úteis para modelar doenças humanas hereitárias. Estados da doença podem ser facilmente reproduzidos pela microinjeção de embriões precoces para alterar a expressão proteica. Isso também pode ser alcançado por mutantes genéticos, como este modelo de distrofia muscular de Duchenne, que exibe uma resposta anormal ao toque.

Uma vez que seu sistema imunológico inato se desenvolve durante os primeiros dias após a fertilização, embriões de zebrafish também são úteis para pesquisas de doenças infecciosas. Neste estudo, as bactérias foram injetadas na corrente sanguínea, e a resposta do hospedeiro foi visualizada em tempo real usando linhas transgênicas com macrófagos fluorescentes.

Graças à sua transparência, os embriões de zebrafish também são favoráveis a uma técnica de neurociência de ponta chamada optogenética. Esses pesquisadores projetaram um embrião que expressa uma proteína em neurônios isolados, o que lhes permite ativar a célula de forma óptica e determinar sua função específica em um circuito neural.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE ao zebrafish, Danio Rerio. Neste vídeo, demonstramos que os zebrafish são um organismo modelo de vertebrados único com muitas das vantagens dos sistemas de invertebrados. No futuro, é provável que os zebrafish desempenharão um papel significativo na melhoria da nossa compreensão da doença humana e na descoberta de terapêuticas clinicamente úteis. Obrigado por assistir!