De Elizabeth Burke

Marți, 9 august 2016

Cercetătorii folosesc o varietate de tehnici de laborator pentru a investiga cauza genetică a bolilor umane. Cercetarea utilizează adesea celule sau mostre de țesut ale pacienților, dar pentru a determina dacă o mutație într-o anumită genă poate provoca simptomele unui pacient, avem adesea nevoie de modele animale experimentale.

În timp ce șoarecii și șobolanii au fost alegeri comune pentru modelarea bolilor umane în trecut, utilizarea peștilor zebră câștigă rapid popularitate. Vă surprinde acest lucru? Lăsați-mă să vă explic.

Ce sunt peștii zebră?

Pestele zebră sunt pești tropicali de apă dulce din familia peștișorilor. În sălbăticie, ei se găsesc în râurile și iazurile din India, însă acum sunt adesea disponibili în magazinele de animale de companie. Numele de „pește zebră” provine de la dungile orizontale albastre de pe fiecare parte a corpului lor.

Pestele zebră, numit astfel datorită dungilor lor, preferă să trăiască în grupuri mari numite bancuri.

Cum puteți modela o boală umană în pești?

Deși oamenii pot părea extrem de diferiți de peștii zebră, suntem de fapt mult mai asemănători cu ei decât ați putea crede. De fapt, 70% din genele umane se regăsesc în peștii zebră.

Mai mult, peștii zebră au doi ochi, o gură, creier, măduva spinării, intestin, pancreas, ficat, canale biliare, rinichi, esofag, inimă, ureche, nas, mușchi, sânge, oase, cartilagii și dinți. Multe dintre genele și căile critice care sunt necesare pentru a dezvolta aceste caracteristici sunt foarte bine conservate între oameni și peștii zebră. Astfel, orice tip de boală care provoacă modificări în aceste părți ale corpului la om ar putea fi teoretic modelată la peștele zebră.

De ce să folosiți peștele zebră când ați putea folosi șoareci?

În timp ce șoarecii sunt mai asemănători din punct de vedere evolutiv cu oamenii, deoarece sunt mamifere, peștii zebră au mai multe avantaje față de concurenții lor cu blană.

Un avantaj important al peștilor zebră este că adulții sunt mici și preferă să fie adăpostiți în grupuri mari, sau „bancuri”. Ca urmare, au nevoie de mult mai puțin spațiu și sunt mai ieftin de întreținut decât șoarecii.

Nucleul de pești zebră al NIH găzduiește sute de mii de pești zebră într-o instalație de ultimă generație.

Un alt avantaj este că peștii zebră adulți se înmulțesc cu ușurință (aproximativ la fiecare 10 zile) și pot produce până la 50 până la 300 de ouă odată. Acest lucru este destul de diferit față de șoareci, deoarece aceștia produc în general pui de unul până la 10 pui și pot avea doar aproximativ trei pui în timpul vieții lor. Experimentele științifice sunt, în general, repetate de mai multe ori pentru a dovedi că rezultatele sunt corecte, astfel încât este util să se dispună de un animal care poate produce un număr mare de pui la nesfârșit.

Embrionii de pește zebră sunt, de asemenea, puși și fertilizați în exterior, ceea ce le permite să fie ușor de manipulat într-o varietate de moduri. Dacă este necesar, se poate efectua o fertilizare in vitro. Ouăle fertilizate în stadiul de o celulă pot fi ușor injectate cu ADN sau ARN pentru a le modifica permanent constituția genetică în scopul de a genera linii de pește zebră transgenice sau knock-out. Lucrul cu șoarecii în acest mod este mult mai complicat. Embrionii de șoarece se dezvoltă în interiorul mamei, iar pentru a-i accesa și manipula ar trebui sacrificată mama. Pentru a menține embrionii în viață după ce au fost fertilizați sau injectați, ar trebui, de asemenea, să fie transplantați într-o altă femelă de șoarece.

Larvele de pește zebră, stadiul de dezvoltare cuprins între trei și treizeci de zile după fertilizare, cresc în lungime de aproximativ 3,5 până la 8 milimetri.

În plus, embrionii de pește zebră sunt transparenți, ceea ce le permite oamenilor de știință să urmărească la microscop cum ouăle fertilizate se transformă în pui de pește complet formați. Transparența lor permite, de asemenea, vizualizarea țesuturilor marcate cu fluorescență în embrionii transgenici de pește zebră. Embrionii de șoarece nu sunt limpezi și se dezvoltă în interiorul mamei, astfel încât observarea dezvoltării embrionare în direct precum cea a peștilor zebră nu este posibilă.

Cu toate acestea, există o limită în ceea ce privește tipurile de boli care pot fi studiate la peștii zebră. Bolile umane cauzate de gene care nu există la peștele zebră necesită un model animal diferit. În plus, peștii zebră nu sunt modele utile pentru bolile umane care au loc în principal într-un tip de țesut sau într-o parte a corpului pe care peștii zebră nu o au (de exemplu, prostata, glandele mamare, plămânii).

Cum anume folosiți peștii zebră pentru a studia bolile umane?

Deseori, ADN-ul unui pacient este secvențiat pentru a găsi o mutație într-o genă care ar putea provoca simptomele bolii sale. Pentru a determina dacă pierderea funcției acelei gene ar putea cauza simptomele observate la pacient, aceeași genă este mutantă sau „knock-out” în peștișorul zebră, iar apoi peștii sunt examinați pentru simptome similare. Deși este mult mai dificil de realizat, mutația exactă pe care o are pacientul poate fi introdusă și în peștele zebră – acest lucru se numește „knock-in”.

Dacă unul sau mai multe dintre simptomele pacientului sunt observate în modelul knock-out sau knock-in al peștelui zebră, peștele zebră poate fi folosit pentru studii suplimentare pentru a ajuta la determinarea motivului pentru care mutația din acea genă provoacă boala. De exemplu, structura fibrelor musculare poate fi examinată la microscop pentru anomalii dacă pacientul are o boală musculară. Sau, dacă simptomele bolii pacientului au început în timpul dezvoltării in utero, embrionii de pești zebră knock-out sau knock-in pot fi examinați pentru modificări ale expresiei genelor (în comparație cu embrionii fără mutația respectivă) care ar putea duce la o dezvoltare anormală. În cazul unui pacient cu o boală neurologică, neuronii embrionilor knock-out pot fi marcați prin fluorescență pentru a vedea dacă se formează incorect.

În plus față de utilizarea modelelor de boli ale peștilor zebră pentru a caracteriza bolile umane, cercetătorii pot, de asemenea, să identifice și să testeze noi medicamente pentru a trata bolile care sunt modelate. Capacitatea peștilor zebră de a genera mulți embrioni de fiecare dată când se înmulțesc îi face deosebit de utili pentru depistarea medicamentelor de mare randament.

Care sunt câteva exemple de boli umane care au fost modelate cu succes la peștii zebră?

S-a demonstrat că generarea unui knock-out al genei distrofinei la peștii zebră seamănă foarte bine cu gravitatea și evoluția bolii umane distrofia musculară Duchenne. S-a constatat că pacienții cu distrofie musculară Duchenne sunt purtători de mutații în distrofină și prezintă slăbiciune musculară în copilărie care se agravează progresiv. Atât la om, cât și la modelul de pește zebră, pierderea distrofinei conduce treptat la fibre musculare necrotice care sunt înlocuite de celule inflamatorii, fibroză și fibre musculare de dimensiuni anormale.

Această figură prezintă diferențe vizuale în mușchi între larvele de pește zebră de tip sălbatic (A, B, C) și larvele distrofice (A’, B’, C’). Sursa: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3484855/

Melanomul uman a fost, de asemenea, modelat cu succes la peștele zebră. Cea mai frecventă mutație identificată în melanoamele umane – o schimbare de un singur aminoacid în gena BRAF – a fost creată la peștele zebră pentru a realiza un model knock-in. Deoarece cancerele sunt cauzate de o combinație de mai multe modificări genetice, această linie de pește zebră knock-in a fost utilizată pentru a depista alte mutații care pot cauza cancerul. Atunci când o altă mutație a genei SETDB1, frecvent observată în melanom, a fost adăugată la peștele zebră BRAF knock-in, s-a dezvoltat rapid un melanom. Aceste rezultate au ajutat la stabilirea faptului că SETDB1 este o genă importantă în dezvoltarea melanomului.

Aceste exemple de modul în care oamenii și peștii zebră pot manifesta aceeași boală, în ciuda faptului că părem foarte diferiți, fac să fie ușor de înțeles de ce peștii zebră devin un model animal bine acceptat. Aici, în cadrul Programului de boli nediagnosticate al NIH, realizăm studii cu ajutorul peștilor zebră ca una dintre mai multe abordări pentru a investiga implicarea potențială a unor gene modificate în bolile extrem de rare ale pacienților noștri. Deși, în trecut, șoarecii au reprezentat în mod predominant puntea de legătură între laborator și patul bolnavului, studii recente au demonstrat potențialul peștelui zebră de a servi ca o alternativă ușor de manevrat la șoareci. Momentul adoptării peștelui zebră ca organism model emergent nu ar putea fi mai potrivit, deoarece studiile pe șoareci nu reușesc adesea să se transpună la om. Deși niciun animal nu poate modela perfect o boală umană, cred că acești mici înotători vărgați au un mare potențial pentru a face să avanseze cercetarea medicală în viitor.

Pentru a afla mai multe despre modul în care peștii zebră contribuie la știința biomedicală și la sănătatea umană, vizitați site-urile web pentru site-ul Trans-NIH Zebrafish Initiative și NICHD Zebrafish Core.

.