Die Fortpflanzung und Entwicklung des Zebrabärblings

Biology II
 

Summary

Der Zebrabärbling (Danio rerio) ist ein populäres Modell geworden, um Genetik und Entwicklungsbiologie zu untersuchen. Die Durchsichtigkeit dieser Tiere bei frühen Entwicklungsstadien ermöglicht die direkte Visualisierung der Gewebemorphologie auf zellulärer Ebene. Außerdem sind Zebrabärblinge gut für die genetische Veränderung geeignet, wodurch Forscher den Effekt der Genexpression auf die Entwicklung in einem Wirbeltier mit einem hohen Grad an genetischer Ähnlichkeit mit uns Menschen untersuchen können.

Dieses Video gibt einen kurzen Überblick über die Hauptstadien der Zebrabärblingsentwicklung. Ein spezieller Fokus sind die ersten 24 Stunden nach der Befruchtung (hpf). Die Diskussion fängt mit der Zygote, oder Blastomer, die nur aus einer Zelle besteht und auf dem Dotter liegt, an. Dann wird gezeigt dass die Furchung des Blastomers zu einem Embryo mit tausenden Zellen in nur wenigen Stunden führt. Danach werden die zellulären Bewegungen, die auch als Epibolie und Gastrulation bekannt sind, erklärt, und gezeigt wie sie dazu beitragen die Masse von Zellen in einem sich bewegenden Embryo mit einem Herzschlag in nur einem Tag zu verwandeln. Die Präsentation zeigt dann die Entwicklung des Embryos bis zur Schlüpfphase, wenn schwimmende und essende Larven entstehen. Wir gehen auch auf wichtige Punkte zur Haltung von Larven ein, einschließlich eines kurzen Überblicks wie die Fische bis zum Erwachsensein in einer „Kinderstube“ gehalten werden. Zuletzt geht das Video auf einige allgemeine Verfahren ein, die angewendet werden, um die Embryoentwicklung zu untersuchen, und wir zeigen wie die Zebrabärblinge benutzt werden, um humane Entwicklung und Krankheiten besser zu verstehen.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Grundlagen der Biologie 2:Maus, Zebrabärbling und Küken. Die Fortpflanzung und Entwicklung des Zebrabärblings. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Zebrabärblingsembryos haben viele Eigenschaften, die sie zu dem Lieblingsmodell von Entwicklungsbiologen werden lassen. Ihre schnelle, externe Entwicklung und ihre Durchsichtigkeit machen sie ideal für die Bildgebung. Zusätzlich können die Embryonen sowohl physisch als auch genetisch verändert werden, wodurch Forscher die Signale untersuchen können, die Entwicklungsprozesse kontrollieren. Dieses Video behandelt den Zebrabärblingslebenszyklus, die frühen Stadien der Embryonalentwicklung, wie man Fische zu Erwachsenen heranzieht, und stellt einige Verfahren vor, welche die Vorteile des sich entwickelnden Zebrabärblings ausnutzen.

Zu erst behandeln wir die grundlegenden Schritte in der Zebrabärblingsentwicklung.

Der Zebrabärblingslebenszyklus wird in 4 Hauptstadien unterteilt: Embryo, Larve, Jugendlich und Erwachsen. Der gesamte Lebenszyklus von befruchtetem Ei bis hin zum Erwachsenen ist mit 90 Tagen schnell.

Die frühe Entwicklung passiert schnell aber vorhersehbar, wenn die Embryos bei 28°C gehalten werden. Als Ergebnis werden die verschiedenen Stadien als die Anzahl der Stunden oder Tage nach der Befruchtung definiert (häufig als hpf oder dpf abgekürzt). Wenn die Inkubationstemperatur jedoch erhöht oder verringert wird, können die Stadien genauer durch ihre morphologischen Eigenschaften identifiziert werden. Mit dieser Methode können die ersten 24 Stunden in die folgenden fünf Phasen eingeteilt werden: Zygote, Furchung, Blastula, Gastrula und Segmentierung. Die Pharyngulaphase findet in den nächsten 24 Stunden statt, bis der Embryo als Larve schlüpft.

Nun dass ihr mit den Hauptentwicklungsstadien des Zebrabärblings vertraut seid, gehen wir mehr im Detail auf die ersten 24 Stunden ein. Der Zebrabärblingslebenszyklus fängt mit dem befruchteten Ei an. Die Zygote hat einige wichtige Strukturen, einschließlich der schützenden Membran, welche den Embryo umschließt, die auch als Chorion bezeichnet wird. Außerdem gibt es das Dotter, welches Nährstoffe für die Embryoentwicklung zur Verfügung stellt, bis sich der Fisch selbst füttern kann. Kurz nach der Befruchtung bewegt sich das Zytoplasma zu einem Pol im Ei, wodurch eine einzelne Zelle, welche als Keimscheibe bezeichnet wird, entsteht.

In der Furchungsphase teilt sich die Keimscheibe und wird zu den Blastomeren, welche sich weiterhin schnell und synchronisiert teilen, wobei die Zellen nicht wachsen. Diese schnellen Zellteilungen sind möglich, da die RNA, welche von der Mutter in dem Ei hinterlassen wurde, benutzt wird, um Proteine herzustellen, die in den Blastomeren gebraucht werden. Dadurch muss keine RNA Synthese stattfinden. In der Blastulaphase fängt der Embryo an seine eigene RNA herzustellen, wodurch der Zellzyklus verlängert wird. Diese Phase schließt auch den Anfang einer dramatischen Zellbewegung über die Oberfläche des Dotters ein, was auch als Epibolie bezeichnet wird.

Wenn die Zellen so weit fortgeschritten sind, dass sie etwa die Hälfte des Dotters bedecken, fängt die Gastrulaphase an. Diese Phase ist nach einer anderen Art von Bewegung, die auch als Gastrulation bekannt ist, benannt, in welcher Zellen unter die voranschreitende Zellfront migrieren. Als Ergebnis entstehen drei individuelle Keimschichten, die als Entoderm, Mesoderm und Ektoderm bezeichnet werden. Zellen in jeden dieser drei Schichten haben sehr verschiedene Schicksale: Aus dem Ektoderm entsteht die Epidermis und das Nervensystem, aus dem Entoderm entsteht das Verdauungssystem, und aus dem Mesoderm werden Muskeln, Kochen, und die Gefäße.

Nach 12 hpf fängt der Mesoderm an sich in sogenannte Somiten zu teilen, welche Gewebesegmente am Rumpf darstellen, die später zu Muskeln werden. Auch wenn die Anzahl der Somiten die einzelnen Phasen in dieser Segmentierungsphase definiert, passiert noch viel mehr in diesen 10 Stunden. Bereits 24 Stunden nach der Befruchtung sind die Embryonen aktiv und haben sogar einen Herzschlag!

Es ist schon viel in nur einem Tag passiert, aber es gibt immer noch viel für den Embryo zu tun! Die Embryos entwickeln sich weiterhin in ihren Chorionen, bis sie etwa 3 Tage nach der Befruchtung als Larve schlüpfen. Da sie schnell die Energievorräte des Dotters erschöpfen, entwickelt die Larve bald spezielle Strukturen um Schwimmen zu können, wie zum Beispiel die Schwimmblase: ein gasgefülltes Organ, das ihre Schwimmkraft bestimmt. Nach 7 Tagen dpf sind die jungen Fische, oder „fry“, vollständig mobil und sie schauen sich nach Nahrung um.

Seid ihr bereit mit Fischen zu arbeiten? Ihr braucht eine Kinderstube, um die jungen Fische bis zu Erwachsenen heran zu ziehen. Aber nicht so! Larven werden am Anfang in Aquarien mit wenig oder gar keinem Wasseraustausch gesetzt. Wenn die Fische besser im Jagen und Schwimmen werden, wird der Wasserfluss erhöht. Larven werden normalerweise mit einer Kombination aus rehydriertem Trockenfutter und Mikroorganismen wie Paramecien gefüttert, um die Wachstumsrate zu maximieren. Nach 2-3 Monaten in der Kinderstube werden die Fische erwachsen, womit sie ihren Lebenszyklus abschließen.

Nun dass wir die Hauptentwicklungsstadien des Zebrabärblings behandelt haben, schauen wir uns einige Methoden an, die verwendet werden, um diese Schritte zu untersuchen. Durch die kleine Größe und die Durchsichtigkeit können Zebrabärblingsembryos für die RNA in situ Hybridisierung verwendet werden. Dies ist ein Verfahren, in welchem RNA Moleküle, die komplementär zu einer RNA von Interesse sind, benutzt werden, um die Genexpression in dem ganzen Organismus zu visualisieren. Zeitliche Veränderungen in der Genexpression in spezifischen Organen können einfach beobachtet werden, um Einblicke in Entwicklungsprozesse zu erhalten.

Zusätzlich ermöglicht die externe Entwicklung der Zebrabärblingsembryonen die Zelltransplantation. Zellen von fluoreszent gekennzeichneten, frühen Embryonen können in nicht gekennzeichnete Wirtsembryonen transplantiert und über eine bestimmte Zeit nachverfolgt werden. Diese Methode ermöglicht es den Forschern zu untersuchen, wie Zellinteraktionen zu der Organfunktion beitragen, und macht es möglich einfach Zellbewegungen in vivo zu visualisieren.

Weil Zebrabärblingsembryonen einfach genetisch verändert werden können, können Forscher die Rolle von spezifischen Genen in der Entwicklung, angefangen vom Einzellstadium, untersuchen. Wenn beispielsweise der Verlust der Funktion eines Gens untersucht werden soll, können Zebrabärblinge mit Morpholinos injiziert werden. Diese sind entgegengesetzt komplementäre Oligonukleotiden, welche die Proteinexpression blockieren. Das Untersuchen der injizierten Fische auf Entwicklungsphänotypen, wie zum Beispiel den Aufbau von Blutgefäßen, gibt Einblicke in die genetische Kontrolle von komplexen Entwicklungsprozessen.

Das war das JoVE Video über die Entwicklung von Zebrabärblingen. Dieses Video hat den Zebrabärblingslebenszyklus, die Stadien der frühen Zebrabärblingsentwicklung, und die Stärke des Zebrabärblings als Werkzeug der Entwicklungsbiologie behandelt. Danke für Eure Aufmerksamkeit.

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