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Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick

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Introduzione al pesce zebra: Danio rerio

Overview

I pesci zebra (Danio rerio) sono piccoli pesci d'acqua dolce che vengono utilizzati come organismi modello per la ricerca biomedica. I molti punti di forza di questi pesci includono il loro alto grado di conservazione genetica con gli esseri umani e la loro manutenzione semplice ed economica. Inoltre, l'espressione genica può essere facilmente manipolata negli embrioni di zebrafish e la loro trasparenza consente l'osservazione dei processi di sviluppo.

Questo video introduttivo introduce innanzitutto la biologia di base del pesce zebra, compresa la loro filogenesi, il ciclo di vita e l'ambiente naturale, prima di presentare le caratteristiche che li rendono così utili in laboratorio. Una breve storia della ricerca sul pesce zebra è fornita anche attraverso una rassegna delle principali scoperte fatte nel pesce, che vanno dalla rapida istituzione di metodi per uno screening genetico efficiente alla scoperta di nuove terapie per malattie umane come il cancro. Infine, vengono discusse alcune delle molte strade di sperimentazione eseguite nel pesce zebra, compresi gli studi immunologici e di sviluppo.

Procedure

Danio rerio, o zebrafish, sono piccoli pesci che stanno facendo un grande tuffo nella ricerca biomedica. Il pesce zebra depone centinaia di uova che si sviluppano esternamente, consentendo agli scienziati di eseguire manipolazioni genetiche e monitorare i primi fenotipi in un organismo complesso. Dal momento che condividono gran parte del loro genoma con gli esseri umani, la ricerca sui pesci zebra ci sta aiutando nel nostro modo di comprendere e curare le malattie umane. Questo video fornirà una panoramica del pesce zebra, le caratteristiche che li rendono ottimi modelli e alcuni dei modi in cui vengono utilizzati nei laboratori di oggi.

Prima di parlare di tutta quella scienza pescosa, conosciamo il pesce zebra. Come i topi e gli esseri umani, i pesci zebra sono vertebrati, il che significa che possiedono una spina dorsale.

Nello specifico, i pesci zebra sono pesci ossei della classe Actinopterygii, caratterizzati dalla presenza di raggi ossei nelle pinne. Più precisamente, i pesci zebra appartengono alla più grande famiglia di vertebrati: Cyprinidae, che contiene oltre 2.400 specie, tra cui l'amabile pesce rosso.

Danio rerio sono tra i membri più piccoli di questa famiglia, con adulti che misurano 30 - 40 millimetri, o circa 1,5 pollici, di lunghezza. I pesci zebra ottengono il loro nome perché assomigliano alle zebre. No, non proprio così. Il nome deriva dalle strisce che corrono per tutta la lunghezza dei loro corpi a forma di siluro.

I pesci zebra provengono dalla regione himalayana, dove si trovano in corpi d'acqua dolce che si muovono lentamente. Tuttavia, non è necessario viaggiare molto lontano per trovarli, poiché i Danios sono pesci resistenti che sono punti fermi degli acquari domestici.

Il ciclo di vita del pesce zebra avanza attraverso 4 principali fasi di sviluppo: embrione, larva, giovane e adulto. Il ciclo inizia quando le uova e lo sperma vengono rilasciati da una coppia di accoppiamento. Dopo la fecondazione, le fasi iniziali dello sviluppo progrediscono rapidamente, con embrioni che si schiudono in larve entro 3 giorni dalla fecondazione, o dpf. Da questo punto, la progressione in un adulto sessualmente maturo richiede altri due o tre mesi.

Ora che sappiamo un po 'di zebrafish in natura, esaminiamo perché sono così preziosi in laboratorio. In primo luogo, i pesci zebra possono essere alloggiati ad alta densità e sono semplici da curare, rendendoli meno costosi da mantenere rispetto ad altri modelli di vertebrati.

Successivamente, i pesci zebra sono estremamente fertili. Le femmine mature possono deiunare centinaia di uova su base settimanale.

Lo sviluppo esterno di embrioni di zebrafish è estremamente conveniente, a causa della facilità con cui l'espressione genica può essere manipolata con tecniche di microiniezione. Inoltre, poiché gli embrioni sono trasparenti, i primi processi di sviluppo possono essere osservati all'interno dell'organismo vivente.

È importante sottolineare che i pesci zebra possiedono anche un alto grado di conservazione genetica con vertebrati più elevati, compresi gli esseri umani. Il genoma del pesce zebra contiene 25 cromosomi e 1,5 miliardi di coppie di basi, che è circa la metà delle dimensioni del genoma umano. Tuttavia, circa il 70% di tutti i geni umani e l'80% di tutti i geni noti correlati alle malattie umane hanno almeno una controparte zebrafish.

Ora che sai perché i pesci zebra sono grandi organismi modello, diamo un'occhiata a come hanno guadagnato le loro strisce in laboratorio. Nel 1970, George Streisinger ha aperto la strada alla creazione del modello zebrafish. A quel tempo, diversi gruppi stavano studiando le basi genetiche dello sviluppo di mosche e vermi. Come appassionato di pesci, Streisinger riconobbe il potenziale del pesce zebra come modello di sviluppo dei vertebrati. Streisinger sviluppò tecniche per la realizzazione di embrioni "ginogenetici", il cui materiale genetico deriva interamente dalla madre, riducendo così il tempo di generazione necessario per ottenere mutanti omozigoti.

Fu solo nel 1995 che Charles Kimmel e colleghi contribuirono con una caratterizzazione approfondita del normale sviluppo del pesce zebra sul campo.

Un anno dopo, Christiane Nusslein-Volhard, Mark Fishman e Wolfgang Driever hanno pubblicato i risultati del primo screening genetico dei vertebrati su larga scala, condotto a Boston, Massachusetts e Tubingen, in Germania. Modellato sul lavoro di Nusslein-Volhard in Drosophila, questo schermo zebrafish è stato progettato per identificare i geni necessari per lo sviluppo embrionale. I risultati includevano un catalogo di oltre 2.000 pesci zebra mutanti. L'analisi di questi mutanti da allora ci ha insegnato molto sulla nostra biologia.

Nel 2005, Keith Cheng e colleghi hanno clonato slc24a5: il gene responsabile della pigmentazione anomala nel mutante zebrafish dorato. Il fenotipo dorato ha ispirato la scoperta di Cheng che questo particolare gene è richiesto nei pesci e nelle cellule della pelle umana per la sintesi del pigmento melanina e che le modifiche nella proteina sono strettamente legate alle variazioni naturali nel colore della pelle umana.

Nel 2011, i ricercatori del laboratorio di Leonard Zon hanno utilizzato embrioni di zebrafish per identificare una nuova terapia per il melanoma. In uno screening chimico, hanno scoperto una classe di farmaci, tra cui Leflunomide, che ha rallentato la crescita delle cellule che contribuiscono al melanoma. Ora negli studi clinici, Leflunomide è solo un esempio delle nuove terapie che potrebbero essere scoperte in schermi zebrafish ad alto rendimento.

Ora che hai un'idea del valore del modello zebrafish, diamo un'occhiata ad alcuni dei modi in cui i pesci vengono utilizzati nei laboratori di oggi.

Per iniziare, i pesci zebra sono molto utili per modellare le malattie umane ereditarie. Gli stati patologici possono essere facilmente riprodotti mediante microiniezione di embrioni precoci per alterare l'espressione proteica. Questo può essere ottenuto anche da mutanti genetici, come questo modello di distrofia muscolare di Duchenne, che mostra una risposta anormale al tatto.

Poiché il loro sistema immunitario innato si sviluppa durante i primi giorni dopo la fecondazione, gli embrioni di zebrafish sono utili anche per la ricerca sulle malattie infettive. In questo studio, i batteri sono stati iniettati nel flusso sanguigno e la risposta dell'ospite è stata visualizzata in tempo reale utilizzando linee transgeniche con macrofagi fluorescenti.

Grazie alla loro trasparenza, gli embrioni di zebrafish sono anche suscettibili di una tecnica neuroscientifica all'avanguardia chiamata optogenetica. Questi ricercatori hanno progettato un embrione che esprime una proteina in neuroni isolati, che consente loro di attivare otticamente la cellula e determinare la sua funzione specifica in un circuito neurale.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE al pesce zebra, Danio rerio. In questo video, abbiamo dimostrato che i pesci zebra sono un organismo modello di vertebrato unico con molti dei vantaggi dei sistemi di invertebrati. In futuro, è probabile che i pesci zebra svolgano un ruolo significativo nel migliorare la nostra comprensione delle malattie umane e la nostra scoperta di terapie clinicamente utili. Grazie per l'attenzione!

Disclosures

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