Введение в изучение рыбки данио-рерио: Danio rerio

Danio rerio, или данио-рерио, — это небольшие рыбки, которые играют важную роль в биомедицинских исследованиях. Данио-рерио откладывают сотни икринок, которые развиваются внешне, что позволяет ученым проводить генетические манипуляции и отслеживать ранние фенотипы в сложном организме. Поскольку они имеют значительное сходство генома с людьми, исследования на данио-рерио помогают нам в понимании и лечении заболеваний человека. В этом видео будет представлен обзор данио-рерио, характеристик, которые делают их отличными моделями, а также некоторых способов их использования в современных лабораториях.

Прежде чем мы перейдем к обсуждению всех этих «рыбных» научных аспектов, давайте познакомимся с данио-рерио. Как и мыши и люди, данио-рерио являются позвоночными, то есть обладают позвоночником.

Если говорить конкретнее, данио-рерио — это костные рыбы класса Actinopterygii, отличительной чертой которых является наличие костных лучей в плавниках. Более точно, данио-рерио принадлежат к самому крупному семейству позвоночных — Cyprinidae, которое включает более 2 400 видов, в том числе и всеми любимых золотых рыбок.

Danio rerio являются одними из самых маленьких представителей этого семейства: длина взрослых особей составляет 30–40 миллиметров (около 1,5 дюйма). Свое название рыбки данио получили из-за сходства с зебрами. Разумеется, сходство не полное. Название происходит от полос, проходящих вдоль всего их торпедообразного тела.

Данио-рерио происходят из Гималайского региона, где они обитают в медленно текущих пресноводных водоемах. Впрочем, чтобы найти их, не нужно путешествовать далеко, так как данио — выносливые рыбки, которые часто встречаются в домашних аквариумах.

Жизненный цикл данио-рерио проходит через 4 основные стадии развития: эмбрион, личинка, молодь и взрослая особь. Цикл начинается с выброса икры и спермы спаривающейся парой. После оплодотворения начальные стадии развития протекают быстро, и эмбрионы превращаются в личинок к 3-м суткам после оплодотворения (dpf). С этого момента для достижения половой зрелости требуется еще два-три месяца.

Теперь, когда мы немного познакомились с зебранионами в дикой природе, давайте разберем, почему они так ценны в лабораторных условиях. Во-первых, зебранионы могут содержаться с высокой плотностью и не требуют сложного ухода, что делает их содержание менее затратным по сравнению с другими моделями позвоночных.

Кроме того, зебранионы чрезвычайно плодовиты. Зрелые самки могут weekly откладывать сотни икринок.

Внешнее развитие эмбрионов зебраниона крайне удобно, так как экспрессия генов может легко манипулироваться с помощью методов микроинъекций. Кроме того, благодаря прозрачности эмбрионов можно наблюдать за ранними процессами развития непосредственно в живом организме.

Важно отметить, что зебранионы также обладают высокой степенью генетического сходства с высшими позвоночными, включая человека. Геном зебраниона состоит из 25 хромосом и 1,5 миллиарда пар оснований, что составляет примерно половину размера генома человека. Тем не менее, около 70% всех человеческих генов и 80% всех известных генов, связанных с заболеваниями человека, имеют как минимум один аналог у зебраниона.

Теперь, когда вы знаете, почему zebrafish являются отличными модельными организмами, давайте посмотрим, как они заслужили свое признание в лаборатории. В 1970-х годах Джордж Страйзингер стал первопроходцем в создании модели zebrafish. В то время несколько групп исследовали генетические основы развития мух и червей. Будучи любителем аквариумистики, Страйзингер осознал потенциал zebrafish как модели развития позвоночных. Страйзингер разработал методы получения «гиногенетических» эмбрионов, генетический материал которых полностью происходит от матери, что сократило время смены поколений, необходимое для получения гомозиготных мутантов.

Только в 1995 году Чарльз Киммел и его коллеги представили области детальную характеристику нормального развития zebrafish.

Год спустя Кристиана Нуслайн-Фольхард, Марк Фишман и Вольфганг Дривер опубликовали результаты первого крупномасштабного генетического скрининга позвоночных, который проводился в Бостоне (штат Массачусетс) и Тюбингене (Германия). Этот скрининг zebrafish, созданный по образцу работ Нуслайн-Фольхард с Drosophila, был предназначен для идентификации генов, необходимых для эмбрионального развития. Результаты включали каталог из более чем 2000 мутантных zebrafish. Анализ этих мутантов с тех пор многое дал нам для понимания нашей собственной биологии.

В 2005 году Кит Ченг и коллеги клонировали slc24a5: ген, ответственный за аномальную пигментацию у мутанта zebrafish «golden». Фенотип «golden» вдохновил Ченга на открытие того, что этот конкретный ген необходим в клетках кожи рыб и людей для синтеза пигмента меланина, и что модификации в этом белке тесно связаны с естественными вариациями цвета кожи человека.

В 2011 году исследователи из лаборатории Леонарда Зона использовали эмбрионы zebrafish для поиска нового терапевтического средства против меланомы. В ходе химического скрининга они обнаружили класс препаратов, включая лефлуномид, которые замедляли рост клеток, способствующих развитию меланомы. Лефлуномид, который сейчас проходит клинические испытания, является лишь одним из примеров новых терапевтических средств, которые, вероятно, будут обнаружены в ходе высокопроизводительных скринингов на zebrafish.

Теперь, когда вы оценили значимость модели zebrafish, давайте рассмотрим некоторые способы использования этих рыб в современных лабораториях.

Для начала отметим, что zebrafish очень полезны для моделирования наследственных заболеваний человека. Патологические состояния можно легко воспроизвести путем микроинъекций в эмбрионы на ранних стадиях развития для изменения экспрессии белков. Это также может быть достигнуто с помощью генетических мутантов, таких как данная модель мышечной дистрофии Дюшенна, которая проявляет аномальную реакцию на прикосновение.

Поскольку их врожденная иммунная система развивается в течение первых нескольких дней после оплодотворения, эмбрионы zebrafish также полезны для исследования инфекционных заболеваний. В данном исследовании бактерии вводились в кровоток, а ответ хозяина визуализировался в режиме реального времени с использованием трансгенных линий с флуоресцентными макрофагами.

Благодаря своей прозрачности эмбрионы zebrafish также пригодны для применения передового нейробиологического метода под названием оптогенетика. Исследователи создали эмбрион, экспрессирующий белок в изолированных нейронах, что позволяет им оптически активировать клетку и определить ее конкретную функцию в нейронной цепи.

Вы только что посмотрели вводное видео JoVE о данио-рерио, Danio rerio. В этом видео мы продемонстрировали, что zebrafish являются уникальным модельным организмом среди позвоночных, обладающим многими преимуществами систем с беспозвоночными. В будущем zebrafish, вероятно, будут играть значительную роль в углублении нашего понимания человеческих болезней и в поиске клинически эффективных терапевтических средств. Спасибо за просмотр!