Par Elizabeth Burke

Mardi 9 août 2016

Les scientifiques utilisent une variété de techniques de laboratoire pour étudier la cause génétique des maladies humaines. La recherche utilise souvent les cellules des patients ou des échantillons de tissus, mais pour déterminer si une mutation dans un gène spécifique peut causer les symptômes d’un patient, nous avons souvent besoin de modèles animaux expérimentaux.

Alors que les souris et les rats ont été des choix courants pour modéliser les maladies humaines dans le passé, l’utilisation du poisson zèbre gagne rapidement en popularité. Cela vous surprend-il ? Laissez-moi vous expliquer.

Qu’est-ce que le poisson zèbre ?

Le poisson zèbre est un poisson tropical d’eau douce de la famille des vairons. A l’état sauvage, on les trouve dans les rivières et les étangs de l’Inde, cependant ils sont maintenant souvent disponibles dans les animaleries. Le nom « poisson zèbre » vient des rayures bleues horizontales de chaque côté de leur corps.

Le poisson zèbre, ainsi nommé en raison de ses rayures, préfère vivre en grands groupes appelés bancs.

Comment pouvez-vous modéliser une maladie humaine chez le poisson ?

Bien que les humains puissent sembler extrêmement différents du poisson zèbre, nous leur ressemblons en fait beaucoup plus que vous ne le pensez. En effet, 70 % des gènes humains se retrouvent chez le poisson zèbre.

De plus, le poisson zèbre possède deux yeux, une bouche, un cerveau, une moelle épinière, un intestin, un pancréas, un foie, des voies biliaires, un rein, un œsophage, un cœur, une oreille, un nez, des muscles, du sang, des os, du cartilage et des dents. Bon nombre des gènes et des voies critiques nécessaires à la croissance de ces caractéristiques sont hautement conservés entre l’homme et le poisson zèbre. Ainsi, tout type de maladie qui entraîne des changements dans ces parties du corps chez l’homme pourrait théoriquement être modélisé chez le poisson zèbre.

Pourquoi utiliser le poisson zèbre alors que vous pourriez utiliser des souris ?

Bien que les souris soient plus proches de l’homme sur le plan de l’évolution parce qu’elles sont des mammifères, le poisson zèbre présente plusieurs avantages par rapport à ses concurrents à fourrure.

Un avantage important du poisson zèbre est que les adultes sont petits et préfèrent être logés en grands groupes, ou « bancs ». Par conséquent, ils nécessitent beaucoup moins d’espace et sont moins chers à entretenir que les souris.

Le NIH Zebrafish Core abrite des centaines de milliers de poissons zèbres dans une installation de pointe.

Un autre avantage est que les poissons zèbres adultes se reproduisent facilement (environ tous les 10 jours) et peuvent produire jusqu’à 50 à 300 œufs à la fois. C’est très différent des souris qui produisent généralement des portées de un à dix petits et ne peuvent porter qu’environ trois portées dans leur vie. Les expériences scientifiques sont généralement répétées plusieurs fois afin de prouver que les résultats sont exacts, il est donc utile d’avoir un animal qui peut produire un grand nombre de descendants à plusieurs reprises.

Les embryons de poisson zèbre sont également pondus et fécondés à l’extérieur, ce qui leur permet d’être facilement manipulés de diverses manières. Une fécondation in vitro peut être réalisée si nécessaire. Les œufs fécondés à un stade cellulaire peuvent être facilement injectés avec de l’ADN ou de l’ARN pour modifier de façon permanente leur constitution génétique afin de générer des lignées de poisson-zèbre transgéniques ou knock-out. Il est beaucoup plus compliqué de travailler avec des souris de cette manière. Les embryons de souris se développent à l’intérieur de la mère, et pour y accéder et les manipuler, il faut sacrifier la mère. Pour garder les embryons en vie après les avoir fécondés ou injectés, il faudrait également les transplanter dans une autre souris femelle.

Les larves de poisson zèbre, stade de développement compris entre trois et trente jours après la fécondation, atteignent une longueur d’environ 3,5 à 8 millimètres.

De plus, les embryons de poisson zèbre sont transparents, ce qui permet aux scientifiques d’observer au microscope les œufs fécondés se transformer en bébés poissons entièrement formés. Leur transparence permet également de visualiser les tissus marqués par fluorescence dans les embryons transgéniques de poisson zèbre. Les embryons de souris ne sont pas transparents et se développent à l’intérieur de la mère, de sorte que l’observation du développement d’un embryon vivant comme celui du poisson zèbre n’est pas possible.

Cependant, il y a une limite aux types de maladies qui peuvent être étudiées chez le poisson zèbre. Les maladies humaines causées par des gènes qui n’existent pas chez le poisson zèbre nécessitent un modèle animal différent. De plus, le poisson zèbre n’est pas un modèle utile pour les maladies humaines qui ont principalement lieu dans un type de tissu ou une partie du corps que le poisson zèbre ne possède pas (par exemple, la prostate, les glandes mammaires, les poumons).

Comment utilisez-vous exactement le poisson zèbre pour étudier les maladies humaines ?

Souvent, l’ADN d’un patient est séquencé afin de trouver une mutation dans un gène qui pourrait potentiellement causer les symptômes de sa maladie. Pour déterminer si la perte de fonction de ce gène pourrait causer les symptômes observés chez le patient, le même gène est muté ou « knocké » chez le poisson zèbre, puis les poissons sont examinés pour détecter des symptômes similaires. Bien que cela soit beaucoup plus difficile à réaliser, la mutation exacte dont souffre le patient peut également être introduite dans le poisson zèbre – c’est ce qu’on appelle un « knock-in ».

Si un ou plusieurs des symptômes du patient sont observés dans le modèle knock-out ou knock-in du poisson zèbre, ce dernier peut être utilisé pour des études supplémentaires afin d’aider à déterminer pourquoi la mutation de ce gène provoque la maladie. Par exemple, si le patient est atteint d’une maladie musculaire, la structure des fibres musculaires peut être examinée au microscope pour détecter des anomalies. Ou si les symptômes de la maladie du patient ont commencé pendant le développement in utero, les embryons de poisson zèbre knock-out ou knock-in peuvent être examinés pour détecter les changements d’expression génétique (par rapport aux embryons sans mutation) qui pourraient entraîner un développement anormal. Dans le cas d’un patient atteint d’une maladie neurologique, les neurones des embryons knock-out peuvent être marqués par fluorescence pour voir s’ils se forment de manière incorrecte.

En plus d’utiliser les modèles de maladie du poisson zèbre pour caractériser les maladies humaines, les chercheurs peuvent également identifier et tester de nouveaux médicaments pour traiter les maladies modélisées. La capacité du poisson zèbre à générer de nombreux embryons à chaque fois qu’il se reproduit le rend particulièrement utile pour le dépistage de médicaments à haut débit.

Quels sont les exemples de maladies humaines qui ont été modélisées avec succès chez le poisson zèbre ?

Il a été démontré que la génération d’un knock-out du gène de la dystrophine chez le poisson zèbre ressemble étroitement à la gravité et à la progression de la maladie humaine qu’est la dystrophie musculaire de Duchenne. On a découvert que les patients atteints de la dystrophie musculaire de Duchenne sont porteurs de mutations dans la dystrophine et présentent une faiblesse musculaire pendant l’enfance qui s’aggrave progressivement. Chez l’homme comme chez le modèle de poisson zèbre, la perte de dystrophine entraîne progressivement des fibres musculaires nécrotiques qui sont remplacées par des cellules inflammatoires, une fibrose et des fibres musculaires de taille anormale.

Cette figure montre les différences visuelles dans le muscle entre la larve de poisson zèbre de type sauvage (A, B, C) et la larve distrophique (A’, B’, C’). Source : http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3484855/

Le mélanome humain a également été modélisé avec succès chez le poisson zèbre. La mutation la plus couramment identifiée dans les mélanomes humains – une modification d’un seul acide aminé dans le gène BRAF – a été créée chez le poisson zèbre pour en faire un modèle knock-in. Les cancers étant causés par la combinaison de plusieurs altérations génétiques, cette lignée de poisson zèbre knock-in a été utilisée pour cribler d’autres mutations potentiellement cancérigènes. Lorsqu’une autre mutation du gène SETDB1, couramment observée dans les mélanomes, a été ajoutée au poisson zèbre BRAF knock-in, un mélanome s’est rapidement développé. Ces résultats ont permis d’établir que SETDB1 est un gène important dans la croissance des mélanomes.

Ces exemples de la façon dont les humains et le poisson zèbre peuvent manifester la même maladie malgré nos différences apparentes font qu’il est facile de comprendre pourquoi le poisson zèbre devient un modèle animal bien accepté. Dans le cadre du programme des maladies non diagnostiquées du NIH, nous réalisons des études sur le poisson zèbre, qui constituent l’une des nombreuses approches permettant d’étudier l’implication potentielle de gènes altérés dans les maladies extrêmement rares de nos patients. Si les souris ont été par le passé l’animal prédominant pour faire le lien entre la paillasse et le lit du malade, des études récentes ont démontré le potentiel du poisson zèbre comme alternative à la souris. L’adoption du poisson zèbre en tant qu’organisme modèle émergent ne pouvait pas mieux tomber, car les études sur la souris ne sont souvent pas transposables à l’homme. Bien qu’aucun animal ne puisse parfaitement modéliser une maladie humaine, je crois que ces petits nageurs rayés ont un grand potentiel pour faire avancer la recherche médicale à l’avenir.

Pour en savoir plus sur la façon dont le poisson zèbre contribue à la science biomédicale et à la santé humaine, visitez les sites Web de l’initiative Trans-NIH Zebrafish et du NICHD Zebrafish Core.