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Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick

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Riproduzione e sviluppo del pesce zebra

Overview

Il pesce zebra (Danio rerio) è diventato un modello popolare per lo studio della genetica e della biologia dello sviluppo. La trasparenza di questi animali nelle prime fasi dello sviluppo consente la visualizzazione diretta della morfogenesi tissutale a livello cellulare. Inoltre, i pesci zebra sono suscettibili di manipolazione genetica, consentendo ai ricercatori di determinare l'effetto dell'espressione genica sullo sviluppo di un vertebrato con un alto grado di somiglianza genetica con gli esseri umani.

Questo video fornisce una breve panoramica delle principali fasi dello sviluppo del pesce zebra, con particolare attenzione alle prime 24 ore dopo la fecondazione (hpf). La discussione inizia con uno zigote costituito da una singola cellula, o blastomero, in cima a una grande palla di tuorlo. La scissione del blastomero viene quindi mostrata per produrre un embrione contenente migliaia di cellule nel giro di poche ore. Successivamente, vengono spiegati i drammatici movimenti cellulari noti come epiboly e gastrulazione, rivelando come contribuiscono a rimodellare una massa di cellule in un embrione in movimento con un cuore che batte in solo 1 giorno. La presentazione segue lo sviluppo degli embrioni attraverso la fase di schiusa, quando diventano nuotatori, nutrendo le larve. Sono incorporate importanti considerazioni per la cura delle larve, inclusa una breve rassegna di come i pesci vengono allevati fino all'età adulta in una struttura dedicata nota come vivaio. Infine, il video si conclude con alcune tecniche comuni utilizzate per studiare lo sviluppo degli embrioni, dimostrando come i pesci zebra vengono utilizzati per aiutarci a comprendere meglio lo sviluppo umano e le malattie.

Procedure

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Gli embrioni di zebrafish hanno molte caratteristiche che li rendono un modello preferito tra i biologi dello sviluppo. Il loro rapido sviluppo esterno e la loro trasparenza li rendono particolarmente adatti alla visualizzazione. Inoltre, gli embrioni sono suscettibili di manipolazioni sia fisiche che genetiche, consentendo ai ricercatori di separare i segnali che controllano i processi di sviluppo. Questo video esaminerà il ciclo di vita del pesce zebra, le prime fasi dello sviluppo dell'embrione, l'allevamento di pesci fino all'età adulta ed evidenzierà alcune tecniche che sfruttano lo sviluppo di embrioni di zebrafish.

Per prima cosa, esaminiamo i passaggi di base nello sviluppo del pesce zebra.

Il ciclo di vita del pesce zebra è diviso in quattro periodi principali: embrione, larva, giovane e adulto. L'intero ciclo di vita dall'uovo fecondato all'adulto è di soli 90 giorni.

Lo sviluppo precoce avviene a un ritmo rapido, ma prevedibile quando gli embrioni vengono allevati a 28 °C. Di conseguenza, le fasi possono essere definite come il numero di ore o giorni dopo la fecondazione (più comunemente abbreviato in hpf o dpf). Tuttavia, se la temperatura di incubazione è aumentata o diminuita, gli stadi possono essere identificati con maggiore precisione dalle caratteristiche morfologiche. Con questo metodo, le prime 24 ore sono divise in cinque fasi: zigote, scissione, blastula, gastrula e segmentazione. La fase di faringola comprende le successive 24 ore fino a quando gli embrioni si schiudono in larve.

Ora che hai familiarità con le principali fasi dello sviluppo del pesce zebra, esaminiamo le prime 24 ore in modo più dettagliato.

Il ciclo di vita del pesce zebra inizia con un uovo fecondato. Questo zigote ha alcune strutture importanti, tra cui la membrana protettiva che circonda l'embrione chiamata corion e il tuorlo che fornisce nutrienti per lo sviluppo embrionale fino a quando il pesce non può nutrirsi da solo. Poco dopo la fecondazione, il citoplasma si muove verso un polo dell'uovo gonfiando una singola cellula chiamata blastodisco.

Durante il periodo di scissione, il blastodisco si divide per formare i blastomeri, che continuano a subire divisioni cellulari rapide e sincronizzate senza crescita cellulare.

Queste rapide divisioni sono possibili perché l'RNA depositato nell'uovo dalla madre viene utilizzato per far funzionare le proteine all'interno dei blastomeri, eliminando la necessità di sintesi dell'RNA. Durante il periodo della blastula, l'embrione inizia a produrre il proprio RNA, allungando così il ciclo cellulare. Questo periodo include anche l'inizio di un drammatico movimento delle cellule sulla superficie del tuorlo, noto come epiboly.

Quando le cellule sono avanzate per coprire circa la metà del tuorlo inizia il periodo della gastrula. Questo periodo prende il nome da un diverso tipo di movimento, noto come gastrulazione, in cui le cellule migrano sotto il fronte cellulare che avanza. Il risultato sono tre strati distinti di cellule chiamati strati germinali, tra cui l'endoderma, il mesoderma e l'ectoderma. Le cellule in ciascuno di questi tre strati hanno destini molto diversi: l'ectoderma dà origine all'epidermide e al sistema nervoso, l'endoderma forma l'intestino e il mesoderma genera muscoli, ossa e vascolarizzazione.

Entro 12 hpf, il mesoderma inizia a dividersi in somiti, che sono segmenti di tessuto lungo il tronco che in seguito diventeranno muscoli. Sebbene il numero di somiti definisca le singole fasi in questo periodo di segmentazione, c'è molto di più di quello che sta succedendo durante la durata di 10 ore. A sole 24 ore dalla fecondazione, gli embrioni sono attivi e hanno persino un cuore che batte!

Ha fatto molta strada in un solo giorno, ma il lavoro dell'embrione non è ancora finito! Gli embrioni continuano a svilupparsi all'interno delle loro cori fino a quando non si schiudono in larve a circa 3 giorni dopo la fecondazione. Mentre esauriscono rapidamente le riserve di energia del tuorlo, le larve sviluppano presto strutture specializzate per il nuoto, come la vescica natatoria: un organo pieno di gas che controlla la galleggiabilità. Dopo 7 dpf, i giovani pesci, o "avannotti", sono completamente mobili e in cerca di cibo!

Pronto ad adottare un pesce? Avrai bisogno di un asilo nido per allevare i tuoi avannotti fino all'età adulta. No, non proprio così. Le larve vengono collocate in vasche con poco o nessun scambio d'acqua per iniziare e aumentando il flusso d'acqua man mano che i pesci migliorano la loro capacità di cacciare e nuotare. Le larve vengono solitamente alimentate con una combinazione di cibo secco reidratato e microrganismi, come la paramecia, per massimizzare i tassi di crescita. Dopo 2-3 mesi nella scuola materna, il pesce raggiunge l'età adulta, completando il ciclo di vita.

Ora che abbiamo visto alcune delle principali fasi dello sviluppo del pesce zebra, diamo un'occhiata ad alcune tecniche utilizzate per studiare questi passaggi.

Le piccole dimensioni e la trasparenza degli embrioni di zebrafish li rendono suscettibili all'ibridazione dell'RNA in situ. Questa tecnica utilizza una molecola di RNA etichettata complementare a un mRNA di interesse, per visualizzare l'espressione genica in tutto l'organismo. I cambiamenti nell'espressione genica nel tempo e in organi specifici sono facilmente osservabili e forniscono informazioni sui processi di sviluppo.

Inoltre, lo sviluppo esterno degli embrioni di zebrafish li rende suscettibili di trapianto di cellule. Le cellule di embrioni precoci etichettati fluorescentemente possono essere trapiantate in embrioni ospiti non etichettati e monitorate nel tempo. Questo metodo consente ai ricercatori di esaminare come le interazioni cellulari contribuiscono alla funzione degli organi e di visualizzare facilmente i movimenti cellulari in vivo.

Infine, poiché gli embrioni di zebrafish sono facilmente manipolati geneticamente dalla microiniezione, i ricercatori possono esaminare il ruolo di geni specifici durante lo sviluppo a partire dallo stadio di una cellula. Ad esempio, per studiare l'effetto della perdita di funzione di un gene, il pesce zebra può essere iniettato con morfolinos, che sono oligonucleotidi antisenso progettati per bloccare l'espressione proteica. Lo screening dei pesci iniettati per i fenotipi dello sviluppo, come i cambiamenti nell'assemblaggio dei vasi sanguigni, fornisce informazioni sul controllo genetico di complessi processi di sviluppo.

Hai appena visto il video di JoVE sullo sviluppo del pesce zebra. Questo video ha delineato il ciclo di vita del pesce zebra, ha coperto le fasi dello sviluppo precoce del pesce zebra e ha evidenziato il potere del pesce zebra come strumento nella biologia dello sviluppo. Grazie per l'attenzione!

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