By Elizabeth Burke

Tuesday, August 9, 2016

科学者はヒト疾患の遺伝的原因を調べるためにさまざまな実験テクニックを使用します。 研究では患者の細胞や組織サンプルを利用することが多いですが、特定の遺伝子の変異が患者の症状を引き起こすかどうかを判断するには、実験動物モデルが必要になることが多いです。

これまでマウスやラットが人間の病気のモデルとしてよく選ばれてきましたが、ゼブラフィッシュの利用が急速に普及してきています。 これには驚きましたか？

ゼブラフィッシュとは？

ゼブラフィッシュは、ミノカサゴ科の熱帯淡水魚です。 自然界ではインドの川や池に生息していますが、現在ではペットショップでもよく見かけるようになりました。

ゼブラフィッシュは、その縞模様から名付けられ、群れと呼ばれる大きな集団で生活することを好みます。

どうして魚で人間の病気をモデル化できるのですか？

人間はゼブラフィッシュと極めて異なって見えるかもしれませんが、実は想像以上に似ているのです。 実際、ヒトの遺伝子の 70% はゼブラフィッシュで見つかっています。

さらに、ゼブラフィッシュには、2 つの目、口、脳、脊髄、腸、膵臓、肝臓、胆管、腎臓、食道、心臓、耳、鼻、筋肉、血液、骨、軟骨、および歯が備わっています。 これらの特徴を生かすために必要な遺伝子や重要な経路の多くは、ヒトとゼブラフィッシュの間で高度に保存されています。

Why use zebrafish when you could use mice?

マウスは哺乳類なので進化的にヒトに似ていますが、ゼブラフィッシュは毛皮のライバルに対していくつかの利点を持っています。 その結果、マウスよりもはるかに少ないスペースで維持することができます。

NIH Zebrafish Coreは、最先端の施設で数十万匹のゼブラフィッシュを収容しています。

別の利点は、成体のゼブラフィッシュは簡単に（およそ10日ごとに）繁殖し、一度に50～300もの卵を産むことができるという点です。 これは、一般に1～10匹の子を産み、生涯で3回程度しか産めないマウスとはまったく異なる点です。 科学実験は一般に、結果が正確であることを証明するために何度も繰り返されるので、多数の子孫を何度も残せる動物がいると便利です。

ゼブラフィッシュの胚も外部で産んで受精するので、さまざまな操作が容易にできます。 必要であれば体外受精も可能。 1細胞期の受精卵にDNAやRNAを注入して遺伝子を永久的に改変し、トランスジェニックやノックアウトのゼブラフィッシュ系統を作り出すことも容易である。 この方法でマウスを扱うのは、もっと複雑だ。 マウスの胚は母親の体内で発生するので、胚にアクセスして操作するためには母親を犠牲にしなければならない。 受精または注射した後の胚を生かすには、別の雌のマウスに移植する必要があります。

ゼブラフィッシュの幼生は、受精後 3 ～ 30 日間の発達段階で、体長は約 3.5 ～ 8 ミリメートルと大きくなります。 その透明性によって、遺伝子組み換えゼブラフィッシュ胚の蛍光標識組織の可視化も可能になります。 マウスの胚は透明ではなく、母親の中で発育するので、ゼブラフィッシュのような生きた胚の発育を観察することはできません。

しかし、ゼブラフィッシュで研究できる病気の種類には限界があります。 ゼブラフィッシュに存在しない遺伝子によって引き起こされるヒトの病気は、別の動物モデルを必要とする。 さらに、ゼブラフィッシュが持っていない組織タイプや体の部分（例えば、前立腺、乳腺、肺など）で主に起こるヒトの病気については、ゼブラフィッシュは有用なモデルにはなりません。 その遺伝子の機能低下が患者さんに見られる症状を引き起こすかどうかを調べるために、同じ遺伝子をゼブラフィッシュで変異させたり「ノックアウト」させたりして、そのゼブラフィッシュが同様の症状を示すかどうかを調べます。 2506>

患者さんの症状の1つ以上が、ゼブラフィッシュのノックアウトまたはノックインモデルで観察された場合、そのゼブラフィッシュをさらに研究に使用し、その遺伝子の変異がなぜ病気を引き起こすのかを明らかにすることができます。 例えば、患者さんが筋肉の病気であれば、顕微鏡で筋繊維の構造に異常がないかどうかを調べることができる。 また、患者さんの病気の症状が子宮内の発生中に始まった場合、ノックアウトまたはノックインゼブラフィッシュの胚で、異常な発生につながる可能性のある遺伝子発現の変化を（変異のない胚と比較して）調べることができる。 神経系疾患を持つ患者の場合、ノックアウト胚のニューロンを蛍光標識し、その形成が正しくないかどうかを確認できます。

ヒトの疾患の特徴付けにゼブラフィッシュ疾患モデルを利用することに加え、研究者はモデルとなっている疾患を治療する新薬を特定および試験することもできます。

ゼブラフィッシュでうまくモデル化された人間の病気の例にはどのようなものがありますか？

ゼブラフィッシュでジストロフィン遺伝子のノックアウトを生成すると、人間の病気であるデュシャンヌ筋ジストロフィーの重症度と進行に酷似していることが分かっています。 デュシェンヌ型筋ジストロフィーの患者さんは、ジストロフィンに変異を持ち、小児期に筋力低下を示し、徐々に悪化することが分かっている。 ヒトでもゼブラフィッシュのモデルでも、ジストロフィンが失われると、次第に筋線維が壊死し、炎症細胞、線維化、異常な大きさの筋線維に置き換わります。

この図は、野生型ゼブラフィッシュ幼生（A、B、C）と萎縮型幼生（A’、B’、C’）の筋肉の視覚的違いを示しています。 出典はこちら。 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3484855/

ヒトのメラノーマもゼブラフィッシュでモデル化することに成功しました。 ヒトのメラノーマで最もよく確認されている変異、すなわち遺伝子BRAFの1つのアミノ酸の変化を、ゼブラフィッシュで作り、ノックインモデルを作りました。 がんは複数の遺伝子変異の組み合わせによって引き起こされるため、このノックインモデルを用いて、がんを引き起こす可能性のある他の変異をスクリーニングした。 BRAFノックインゼブラフィッシュに、メラノーマでよく見られる別の遺伝子SETDB1の変異を加えたところ、メラノーマが急速に発生しました。 この結果は、SETDB1がメラノーマの増殖に重要な遺伝子であることを立証するのに役立ちました。

ヒトとゼブラフィッシュは見た目が違うのに同じ病気が現れるという例を見ると、なぜゼブラフィッシュが動物モデルとしてよく受け入れられるようになったのかがよくわかる。 ここNIHの未診断疾患プログラムでは、患者さんの極めて稀な疾患に変化した遺伝子が関与している可能性を調べるために、いくつかのアプローチの一つとして、ゼブラフィッシュを使った研究を行っています。 これまで、研究室とベッドサイドをつなぐ動物としてはマウスが主流でしたが、最近の研究では、マウスに代わる扱いやすい動物としてゼブラフィッシュの可能性が実証されています。 マウスでの研究はヒトへの移植に失敗することが多いため、新たなモデル生物としてゼブラフィッシュが採用されるタイミングは、これ以上ないほど良いものです。 どの動物も人間の病気を完全にモデル化することはできませんが、この小さな縞模様の泳ぐ動物は、将来、医学研究を発展させる大きな可能性を秘めていると思います」

ゼブラフィッシュが生物医学と人間の健康にどのように貢献しているかについてもっと知るには、トランス-NH ゼブラフィッシュイニシアチブ Web サイトおよび NICHD ゼブラフィッシュコアのサイトをご覧ください。