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Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick

Uma Introdução à Galinha: Gallus gallus domesticus

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Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick

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JoVE Science Education Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick

An Introduction to the Chick: Gallus gallus domesticus

4.1: An Introduction to the Laboratory Mouse: Mus musculus

4.3: An Introduction to the Zebrafish: Danio rerio

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07:26 min

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April 30, 2023

Overview

O embrião de galinha (Gallus gallus domesticus) é um organismo modelo extremamente valioso para pesquisas em biologia do desenvolvimento, em parte porque a maior parte de seu desenvolvimento ocorre dentro de um ovo que é incubado fora da mãe. Como resultado, os estágios iniciais de desenvolvimento podem ser acessados, visualizados e manipulados simplesmente criando um pequeno buraco na casca de ovo. Como bilhões de galinhas são criadas em todo o mundo para a produção de carne e ovos, os cientistas podem adquirir facilmente e economicamente um grande número de ovos fertilizados ao longo do ano. Além disso, as galinhas compartilham uma conservação genética significativa com os seres humanos, de modo que os mecanismos genéticos encontrados para regular o desenvolvimento de galinhas também são relevantes para nossa própria biologia.

Este vídeo se concentra em introduzir o frango domesticado como um modelo científico. A discussão começa com uma revisão da filogenia de frango, revelando as características que os tornam amniotas, como outras aves, répteis e mamíferos. Destaques dos milênios de pesquisa de frango serão apresentados, desde os postulados de Aristóteles sobre a função de membranas extraembrionárias até descobertas mais recentes, ganhadoras do Prêmio Nobel em neurociência. Além disso, alguns exemplos atuais de estudos realizados em embriões de frango serão fornecidos, como o rastreamento in vivo de movimentos celulares durante o desenvolvimento e o recrutamento de vasos sanguíneos para o desenvolvimento de tumores (processo conhecido como angiogênese).

Procedure

O frango em desenvolvimento, ou pintinho, formalmente conhecido como Gallus gallus domesticus, é um importante sistema modelo para pesquisa biomédica. Dentro de cada ovo de galinha há um embrião que pode ser submetido a manipulações genéticas e embriológicas. Tal experimentação é relevante para a saúde humana e doença, devido às semelhanças entre genomas humanos e pintinhos. Este vídeo cobre uma visão geral do sistema de modelos de filhotes, algumas descobertas-chave feitas em chick, e alguns exemplos emocionantes de como eles são usados em laboratórios hoje em dia.

Antes de falar sobre o valor científico da garota, vamos rever um pouco de biologia básica de frango. Como répteis e mamíferos, os galos de Gallus pertencem ao vertebrado clade Amniota, definido pela presença de membranas extraembrínicas que apoiam o desenvolvimento de embriões. A evolução desse sistema de membranas dentro do ovo permitiu que o amnioto ancestral habitasse um ambiente terrestre milhões de anos atrás, o que praticamente prova que foi o ovo que veio primeiro!

Dentro da classe Aves, as galinhas pertencem à família Phasianidae de aves terrestres, que passam a maior parte de sua vida em terra. Os pássaros que conhecemos como uma saborosa fonte de alimento são na verdade uma subespécie de Gallus gallus, comumente conhecida como a Ave da Selva Vermelha, que habita o sudeste da Ásia. Hoje, bilhões de galinhas são criadas para a produção de carne e ovos em todo o mundo.

Claramente esses pássaros são uma grande parte da dieta humana, mas o que eles gostam de comer? Galinhas são onívoras que vasculham o chão em busca de insetos, sementes e vegetação. Galinhas fêmeas, ou galinhas, estão especialmente precisando de uma boa refeição, uma vez que eles colocam muita energia na fabricação de ovos, que são colocados quase todos os dias. Se um macho está por perto, você saberá; galos são maiores, mais coloridos, e muito mais alto!

Quando galos e galinhas se reúnem para acasalar, o ciclo de vida começa com fertilização interna. Um ovo é colocado 25 horas depois, contendo um embrião multicelular. Após 21 dias de incubação, um filhote nasce. A maturidade sexual ocorre por 31 semanas na maioria das galinhas, completando o ciclo.

Agora, vamos ver por que este animal de fazenda comum é popular em pesquisas científicas. Em primeiro lugar, é fácil obter ovos de galinha fertilizados a um custo relativamente baixo, durante todo o ano. Em segundo lugar, os experimentos de desenvolvimento podem ser precisamente cronometrados regulando a temperatura da incubação.

Em terceiro lugar, uma vez que o embrião se desenvolve externamente, os cientistas só precisam cortar uma janela na concha para acessar a maioria dos estágios de desenvolvimento. Os embriões também toleram manipulações experimentais muito bem, porque a clara de ovo, ou albumina, é naturalmente antibacteriana.

Por último, mas certamente não menos importante, o frango e os genomas humanos são altamente conservados. Apesar do genoma do frango ser cerca de um terço do tamanho do humano, ele embala um número semelhante de genes. Destes, 60% correspondem a um gene humano, e são, em média, 75% idênticos à sua contraparte humana.

Agora que discutimos o que faz das garotas um grande modelo, vamos rever algumas descobertas importantes feitas neste sistema. A pesquisa de filhotes remonta à Grécia antiga, quando Aristóteles postulou que as membranas extraembriônicas que ele observou no desenvolvimento de ovos de galinha, e a placenta humana e o cordão umbilical, ambos fornecem nutrição crucial para o embrião. Muitos anos depois, em 1672, Marcello Malpighi descreveu pela primeira vez estruturas de vertebrados fundamentais no embrião de frango em desenvolvimento, como o tubo neural, que forma o sistema nervoso; e os somites, que darão origem a múltiplos tecidos, como o músculo esquelético.

Em 1817, Heinz Christian Pander estudou embriões de frango em estágio inicial e descobriu três camadas primordiais de células conhecidas como camadas de germes. Células dessas camadas: o ectoderme, o mesoderme e o endoderme, passam a formar todos os tecidos que compõem um organismo. Por este trabalho, Pander ganhou o título: O Fundador da Embriologia.

Em 1951, Viktor Hamburger e Howard L. Hamilton publicaram uma série de 46 partes para identificar embriões baseados em anatomia, desde ovos recém-colocados até a eclosão. A série de estadiamento de Hamburger e Hamilton fornece aos biólogos de pintinhos uma maneira de padronizar a encenação dos embriões que estudam, reduzindo as variáveis introduzidas por diferentes temperaturas de incubação.

Também na década de 1950, Rita Levi-Montalcini descobriu um fator misterioso que fez com que os neurônios filhotes crescessem quando expostos a tumores de camundongos engrafados. Stanley Cohen ajudou a identificar esse composto desconhecido como NGF, ou fator de crescimento nervoso. Por este trabalho, eles ganharam o Prêmio Nobel em 1986.

Agora que discutimos como a pesquisa de filhotes levou a descobertas importantes, vamos dar uma olhada em como os filhotes são usados em laboratórios hoje.

Primeiro, embriões de frango são frequentemente usados para rastrear movimentos celulares precoces. Para ser capaz de distinguir células de seus vizinhos, cientistas transplantam células de outras espécies aviárias, como a codorna, em embriões de filhotes. Usando marcadores específicos de codorna, as células são seguidas ao longo dos dias à medida que são incorporadas em estruturas em desenvolvimento.

Os filhotes também são extremamente úteis para estudar a padronização neuronal. Tecido neural colhido de um embrião pode ser usado para examinar rastreamento axonal, circuitos e até mesmo atividade neuronal.

Por fim, a membrana corioallantóica, também conhecida como CAM, é uma membrana altamente vascularizada que é frequentemente usada para pesquisas de câncer. Os embriões de frango são naturalmente imunodeficientes, o que permite que células cancerígenas humanas transplantadas comandem prontamente os vasos sanguíneos dentro da CAM para estabelecer tumores. A disseminação de células cancerígenas, ou metástase, pode ser facilmente estudada neste ensaio altamente útil.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE a Gallus Gallus. Este vídeo forneceu uma breve visão geral dessas aves, características que tornam seus embriões grandes organismos modelo, importantes descobertas científicas feitas em filhotes, e um vislumbre das maneiras como eles são usados em pesquisas biológicas. Obrigado por assistir!

Transcript

The developing chicken, or chick, formally known as Gallus gallus domesticus, is an important model system for biomedical research. Within each chicken egg is an embryo that can be subjected to genetic and embryological manipulations. Such experimentation is relevant to human health and disease, because of the similarities between human and chick genomes. This video covers an overview of the chick model system, some key discoveries made in chick, and a few exciting examples of how they are used in labs today.

Before talking about the chick’s scientific value, let’s review some basic chicken biology. Like reptiles and mammals, Gallus gallus belong to the vertebrate clade Amniota, defined by the presence of extraembryonic membranes that support embryo development. The evolution of this system of membranes within the egg allowed the ancestral amniote to inhabit a land environment millions of years ago, which pretty much proves that it was the egg that came first!

Within the class Aves, chickens belong to the Phasianidae family of terrestrial birds, which spend most of their life on land. The birds we know as a tasty food source are in fact a subspecies of Gallus gallus, commonly known as the Red Junglefowl, which inhabits southeast Asia. Today, billions of chickens are raised for meat and egg production all over the world.

Clearly these birds are a big part of the human diet, but what do they like to eat? Chickens are omnivores that scour the ground for bugs, seeds, and vegetation. Female chickens, or hens, are especially in need of a good meal since they put a lot of energy into making eggs, which are laid almost every day. If a male is around, you’ll know it; roosters are bigger, more colorful, and a lot louder!

When roosters and hens get together to mate, the life cycle begins with internal fertilization. An egg is laid 25 hours later, containing a multicellular embryo. After 21 days of incubation, a chick hatches. Sexual maturity occurs by 31 weeks in most chickens, completing the cycle.

Now, let’s see why this common farm animal is popular in scientific research. First, it is easy to obtain fertilized chicken eggs at a relatively low cost, year-round. Second, developmental experiments can be precisely timed by regulating incubation temperature.

Third, since the embryo develops externally, scientists only need to cut a window in the shell to access most developmental stages. The embryos also tolerate experimental manipulations quite well, because the egg white, or albumin, is naturally antibacterial.

Last, but certainly not least, the chicken and human genomes are highly conserved. Despite the fact that the chicken genome is about a third of the size of the human’s, it packs a similar number of genes. Of these, 60% correspond to a human gene, and are on average 75% identical to their human counterpart.

Now that we’ve discussed what makes chicks a great model, let’s review some key discoveries made in this system. Chick research dates back to ancient Greece, when Aristotle postulated that the extraembryonic membranes he observed in developing chicken eggs, and the human placenta and umbilical cord, both provide crucial nutrition to the embryo. Many years later, in 1672, Marcello Malpighi first described fundamental vertebrate structures in the developing chicken embryo, such as the neural tube, which forms the nervous system; and the somites, which will give rise to multiple tissues, like skeletal muscle.

In 1817, Heinz Christian Pander studied early stage chicken embryos and discovered three primordial layers of cells known as the germ layers. Cells from these layers: the ectoderm, mesoderm, and endoderm, go on to form all of the tissues that make up an organism. For this work, Pander earned the title: The Founder of Embryology.

In 1951, Viktor Hamburger and Howard L. Hamilton published a 46 part staging series to identify embryos based on anatomy, from freshly laid eggs to hatching. The Hamburger and Hamilton staging series provides chick biologists with a way to standardize the staging of the embryos they study, cutting down on variables introduced by differing incubation temperatures.

Also in the 1950s, Rita Levi-Montalcini discovered a mysterious factor that caused chick neurons to grow when exposed to engrafted mouse tumors. Stanley Cohen helped identify this unknown compound as NGF, or nerve growth factor. For this work, they won the Nobel Prize in 1986.

Now that we’ve discussed how chick research has led to important discoveries, let’s take a look at how chicks are used in labs today.

First, chicken embryos are frequently used to track early cell movements. To be able to distinguish cells from their neighbors, scientists transplant cells from other avian species, like the quail, into chick embryos. Using quail-specific markers, the cells are followed over days as they are incorporated into developing structures.

Chicks are also extremely useful for studying neuronal patterning. Neural tissue harvested from an embryo can be used to examine axonal tracing, circuitry and even neuronal activity.

Lastly, the chorioallantoic membrane, otherwise known as the CAM, is a highly vascularized membrane that is frequently used for cancer research. Chicken embryos are naturally immunodeficient, which allows transplanted human cancer cells to readily commandeer blood vessels within the CAM to establish tumors. The spread of cancerous cells, or metastasis, can be easily studied in this highly useful assay.

You’ve just watched JoVE’s introduction to Gallus gallus. This video has provided a brief overview of these birds, features that make their embryos great model organisms, important scientific discoveries made in chick, and a glimpse into the ways they are used in biological research. Thanks for watching!

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