Zebrafish - Zebrafish

Danio rerio
Dospělá samice zebrafish
Stav zachování
Nejméně znepokojený  ( IUCN 3.1 )
Vědecká klasifikace
Království:	Animalia
Kmen:	Chordata
Třída:	Actinopterygii
Objednat:	Cypriniformes
Rodina:	Cyprinidae
Podčeleď:	Danioninae
Rod:	Danio
Druh:	D. rerio
Binomické jméno
Danio rerio ( F. Hamilton , 1822)
Synonyma
Barilius rerio Brachydanio frankei Brachydanio rerio Cyprinus chapalio Cyprinus rerio Danio frankei Danio lineatus Nuria rerio Perilamopus striatus

Zebrafish ( Danio rerio ) je sladkovodní ryby patřící do potoční rodiny ( Cyprinidae ) z řádu Cypriniformes . Původem z jižní Asie je populární akvarijní ryba , často se prodává pod obchodním názvem zebra danio (a často se jí proto říká „ tropická ryba “, i když je tropická i subtropická ). Vyskytuje se také v soukromých rybnících .

Zebra je důležitým a široce používaným modelovým organismem obratlovců ve vědeckém výzkumu, například ve vývoji léčiv , zejména v předklinickém vývoji . Je také pozoruhodný svými regeneračními schopnostmi a byl výzkumníky upraven tak, aby produkoval mnoho transgenních kmenů.

Taxonomie

Zebra je odvozený člen rodu Brachydanio z čeledi Cyprinidae . Má vztah sestra-skupina s Danio aesculapii . Zebrafish jsou také úzce příbuzní rodu Devario , jak ukazuje fylogenetický strom blízkých druhů. Zebra byla často označována jako „Danio rerio“, ale novější molekulární studie naznačily, že by měla patřit do rodu Brachydanio , jako Brachydanio rerio .

Rozsah

Zebra pochází ze sladkovodních stanovišť v jižní Asii, kde se nachází v Indii , Pákistánu , Bangladéši , Nepálu a Bhútánu . Severní hranice je v jižních Himálajích , od povodí řeky Sutlej v hraničním regionu Pákistán - Indie až po stát Arunáčalpradéš v severovýchodní Indii. Jeho rozsah je soustředěn v povodí řeky Gangy a Brahmaputry a tento druh byl poprvé popsán z řeky Kosi (dolní povodí Gangy) v Indii. Jeho rozsah dále na jih je více lokální, s rozptýlenými záznamy z oblastí západního a východního Ghátu . Často se říká, že se vyskytuje v Myanmaru (Barma), ale toto je zcela založeno na záznamech před rokem 1930 a pravděpodobně se týká blízkých příbuzných popsaných později, zejména Danio kyathit . Stejně tak staré záznamy ze Srí Lanky jsou velmi diskutabilní a zůstávají nepotvrzené.

Zebrafish byly zavedeny do Kalifornie , Connecticutu , Floridy a Nového Mexika ve Spojených státech, pravděpodobně záměrným uvolněním akvaristy nebo útěkem z rybích farem . Populace Nového Mexika byla vyhubena do roku 2003 a není jasné, zda ostatní přežijí, protože poslední publikované záznamy byly před desítkami let. Jinde byl tento druh zavlečen do Kolumbie a Malajsie .

Místo výskytu

Zebrafish typicky obývají mírně tekoucí až stojatou čistou vodu v poměrně malé hloubce v potocích, kanálech, příkopech, jezerech , lokních rybnících , rybnících a rýžových polích . Obvykle tam je nějaká vegetace, buď ponořená nebo převislá od břehů, a dno je písčité, bahnité nebo bahnité, často smíšené s oblázky nebo štěrkem. Při průzkumech umístění zebrafish ve velké části jeho bangladéšské a indické distribuce měla voda téměř neutrální až poněkud zásadité pH a většinou se pohybovala v rozmezí teplot 16,5 až 34 ° C (61,7–93,2 ° F). Na jednom neobvykle chladném místě bylo pouze 12,3 ° C (54,1 ° F) a na jiném neobvykle teplém místě 38,6 ° C (101,5 ° F), ale zebrafish stále vypadal zdravý. Neobvykle chladná teplota byla v jedné z nejvyšších známých lokalit zebrafish ve výšce 1576 m (5,171 ft) nad hladinou moře, ačkoli tento druh byl zaznamenán až do 1795 m (5889 ft).

Popis

Zebra je pojmenována podle pěti stejnoměrných, pigmentovaných, horizontálních, modrých pruhů na boku těla, které připomínají pruhy zebry a které sahají až ke konci kaudální ploutve . Jeho tvar je fusiformní a bočně stlačený, s ústy směřujícími nahoru. Samec je ve tvaru torpéda , mezi modrými pruhy jsou zlaté pruhy; samice má větší, bělavé břicho a místo zlata stříbrné pruhy. Dospělé ženy vykazují malou genitální papillu před původem anální ploutve . Zebrafish může dosáhnout až 4–5 cm (1,6–2,0 palce) na délku, i když ve volné přírodě jsou obvykle 1,8–3,7 cm (0,7–1,5 palce) s určitými odchylkami v závislosti na umístění. Jeho životnost v zajetí je kolem dvou až tří let, i když v ideálních podmínkách může být prodloužena na více než pět let. Ve volné přírodě je to typicky roční druh.

Psychologie

V roce 2015 byla publikována studie o schopnosti zebrafishů pro epizodickou paměť . Jedinci prokázali schopnost zapamatovat si kontext s ohledem na objekty, umístění a příležitosti (co, kdy, kde). Epizodická paměť je kapacita explicitních paměťových systémů, typicky spojená s vědomým prožitkem .

Reprodukce

Přibližná doba generace pro Danio rerio je tři měsíce. Pro ovulaci a tření musí být přítomen muž . Zebrafish jsou asynchronní tření a za optimálních podmínek (jako je dostupnost potravin a příznivé parametry vody) se mohou úspěšně rodit často, dokonce i denně. Samice jsou schopni plodit v intervalech dvou až tří dnů, kterou stovky vajec v každé spojce . Po uvolnění začíná embryonální vývoj; v nepřítomnosti spermií se růst zastaví po několika prvních děleních buněk. Oplodněná vajíčka se téměř okamžitě stanou transparentními, což je vlastnost, díky které je D. rerio vhodným výzkumným modelovým druhem .

Embryo zebrafish se rychle vyvíjí, přičemž prekurzory všech hlavních orgánů se objevují do 36 hodin od oplodnění. Embryo začíná jako žloutek s jedinou obrovskou buňkou nahoře (viz obrázek, 0 h panel), která se rozdělí na dvě (0,75 h panel) a pokračuje v dělení, dokud nejsou tisíce malých buněk (panel 3,25 h). Buňky pak migrují po stranách žloutku (8hodinový panel) a začínají tvořit hlavu a ocas (16hodinový panel). Ocas pak roste a odděluje se od těla (24 h panel). Žloutek se postupem času smršťuje, protože ryba jej během prvních dnů zraje (72 h panel) a používá ho jako potravu. Po několika měsících dospělá ryba dosáhne reprodukční dospělosti (spodní panel).

Někteří badatelé na podporu tření ryb používají nádrž s posuvnou spodní vložkou, která pro simulaci břehu řeky zmenšuje hloubku bazénu. Zebrafish se nejlépe rodí ráno kvůli jejich cirkadiánním rytmům . Vědcům se pomocí této metody podařilo shromáždit 10 000 embryí za 10 minut. Zejména jeden pár dospělých ryb je schopen snést 200–300 vajec za jedno ráno přibližně za 5 až 10 najednou. O samcích zebrafish je dále známo, že reagují na výraznější znaky u žen, tj. „Dobré pruhy“, ale ve skupině se muži páří s jakoukoli samicí, kterou najdou. Co přitahuje ženy, není v současné době pochopeno. Přítomnost rostlin, dokonce i plastů, také zřejmě podporuje tření.

Vystavení environmentálně relevantním koncentracím diisononylftalátu (DINP), běžně používaného ve velké řadě plastových předmětů, narušuje endokanabinoidní systém a tím ovlivňuje reprodukci způsobem specifickým pro pohlaví.

Krmení

Zebrafish jsou všežraví , primárně jedí zooplankton , fytoplankton , hmyz a larvy hmyzu , ačkoli mohou jíst celou řadu dalších potravin, jako jsou červi a malí korýši , pokud jejich preferované zdroje potravy nejsou snadno dostupné.

Ve výzkumu jsou dospělí zebrafi často krmeni solnými krevetami nebo paramecia .

V akváriu

Zebrafish jsou odolné ryby a jsou považovány za dobré pro začínající akvaristy. Jejich trvalou popularitu lze přičíst jejich hravé dispozici, stejně jako jejich rychlému rozmnožování, estetice, nízké ceně a široké dostupnosti. Také se jim daří ve školkách nebo v hejnech šesti a více a dobře se chovají s jinými druhy ryb v akváriu. Jsou však citliví na druhy Oodinium nebo samet, mikrosporidie ( Pseudoloma neurophilia ) a druhy Mycobacterium . Při této příležitosti dospělí jedí mláďata, která mohou být chráněna oddělením obou skupin sítí, chovným boxem nebo samostatnou nádrží. V zajetí žijí zebřičky přibližně čtyřicet dva měsíců. U některých zebřiček chovaných v zajetí se může vyvinout zakřivená páteř.

Zebra danio byla také použita k výrobě geneticky modifikovaných ryb a byla prvním druhem, který byl prodáván jako GloFish (fluorescenční barevné ryby).

Kmeny

Na konci roku 2003 se transgenní zebrafish, které exprimují zelené , červené a žluté fluorescenční proteiny, staly komerčně dostupné ve Spojených státech. Fluorescenční kmeny jsou obchodně pojmenovány GloFish ; mezi další pěstované odrůdy patří „zlaté“, „písčité“, „longfinové“ a „leopardové“.

Leopard danio, dříve známý jako Danio frankei , je skvrnitý barevný morf zebrafish, který vznikl v důsledku pigmentové mutace. Xanthistické formy jak zebra, tak leopardího vzoru, spolu s poddruhy s dlouhými žebry, byly získány prostřednictvím selektivních šlechtitelských programů pro obchod s akváriemi.

Různé transgenní a mutantní kmeny zebrafish byly uloženy v neziskové organizaci China Zebrafish Resource Center (CZRC) , kterou společně podpořilo čínské ministerstvo vědy a technologie a Čínská akademie věd .

Kmeny divokého typu

Zebrafish Information Network ( ZFIN ) poskytuje up-to-aktuální informace o aktuálních známý divokého typu (WT) kmenů D. rerio , z nichž některé jsou uvedeny níže.

Hybridy

Hybridy mezi různými druhy Danio mohou být plodné: například mezi D. rerio a D. nigrofasciatus .

Vědecký výzkum

D. rerio je běžný a užitečný vědecký modelový organismus pro studium vývoje obratlovců a genové funkce. Jeho použití jako laboratorního zvířete propagoval americký molekulární biolog George Streisinger a jeho kolegové z University of Oregon v 70. a 80. letech 20. století; Streisingerovy zebrafish klony patřily k nejranějším úspěšným klonům obratlovců. Jeho důležitost byla upevněna úspěšnými rozsáhlými dopřednými genetickými obrazovkami (běžně označovanými jako obrazovky Tübingen/Boston). Ryba má specializovanou online databázi genetických, genomických a vývojových informací, Zebrafish Information Network (ZFIN). Zebrafish International Resource Center (ZIRC) je úložiště genetických zdrojů s 29 250 alelami, které jsou k dispozici pro distribuci výzkumné komunitě. D. rerio je také jedním z mála druhů ryb, které byly vyslány do vesmíru .

Výzkum s D. rerio přinesl pokroky v oblastech vývojové biologie , onkologie , toxikologie , reprodukčních studií, teratologie , genetiky , neurobiologie , věd o životním prostředí , výzkumu kmenových buněk , regenerativní medicíny , svalových dystrofií a evoluční teorie .

Charakteristiky modelu

Zebrafish jako modelový biologický systém má pro vědce mnoho výhod. Jeho genom byl plně sekvenován a má dobře srozumitelné, snadno pozorovatelné a testovatelné vývojové chování. Jeho embryonální vývoj je velmi rychlý a jeho embrya jsou relativně velká, robustní a průhledná a schopná vývoje mimo matku. Kromě toho jsou dobře dostupné dobře charakterizované mutantní kmeny.

Mezi další výhody patří téměř konstantní velikost druhu během raného vývoje, která umožňuje použití jednoduchých technik barvení , a skutečnost, že jeho dvoubuněčné embryo lze fúzovat do jediné buňky za vzniku homozygotního embrya. Zebrafish je také prokazatelně podobný savčím modelům a lidem při testování toxicity a vykazuje denní spánkový cyklus s podobností se spánkovým chováním savců. Zebři však nejsou univerzálně ideálním výzkumným modelem; jejich vědecké použití má řadu nevýhod, jako je absence standardní stravy a přítomnost malých, ale důležitých rozdílů mezi zebrafish a savci v rolích některých genů souvisejících s lidskými poruchami.

Regenerace

Zebrafish mají schopnost regenerovat své srdeční a laterální vlasové buňky během jejich larválních stádií. V roce 2011 uspořádala British Heart Foundation reklamní kampaň propagující její záměr studovat použitelnost této schopnosti na člověka s tím, že jejím cílem je získat 50 milionů liber na financování výzkumu.

Bylo také zjištěno, že zebrafish regeneruje buňky fotoreceptorů a retinální neurony po poranění, které bylo prokázáno, že je zprostředkováno dediferenciací a proliferací Müller glia . Výzkumníci často amputují hřbetní a ventrální ocasní ploutve a analyzují jejich opětovný růst, aby testovali mutace. Bylo zjištěno, že v místě amputace dochází k demetylaci histonu , která přepíná buňky zebrafish do „aktivního“, regenerativního stavu podobného kmenovým buňkám. V roce 2012 australští vědci publikovali studii, která odhalila, že zebrafish používají specializovaný protein , známý jako fibroblastový růstový faktor , aby zajistili, že se jejich míchy uzdraví bez gliového jizvení po zranění. Kromě toho bylo také zjištěno , že vlasové buňky zadní postranní linie se regenerují po poškození nebo narušení vývoje. Studium genové exprese během regenerace umožnilo identifikaci několika důležitých signálních cest zapojených do procesu, jako je Wnt signalizace a fibroblastový růstový faktor .

Při zkoumání poruch nervového systému, včetně neurodegenerativních onemocnění, pohybových poruch, psychiatrických poruch a hluchoty, vědci používají zebrafish, aby pochopili, jak genetické vady, které jsou základem těchto stavů, způsobují funkční abnormality v lidském mozku, míše a smyslových orgánech. Vědci také studovali zebrafish, aby získali nové poznatky o složitosti lidských muskuloskeletálních chorob, jako je svalová dystrofie . Dalším cílem výzkumu zebrafish je porozumět tomu, jak gen nazvaný Hedgehog , biologický signál, který je základem řady lidských rakovin, řídí buněčný růst.

Genetika

Genetika pozadí

Inbrední kmeny a tradiční outbrední populace nebyly vyvinuty pro laboratorní zebrafish a genetická variabilita linií divokého typu mezi institucemi může přispět ke krizi replikace v biomedicínském výzkumu. Genetické rozdíly v liniích divokého typu mezi populacemi udržovanými v různých výzkumných institucích byly prokázány jak pomocí jednonukleotidových polymorfismů, tak pomocí mikrosatelitní analýzy.

Genový výraz

Vzhledem k jejich rychlému a krátkému životnímu cyklu a relativně velkým velikostem spojky jsou D. rerio nebo zebrafish užitečným modelem pro genetické studie. Běžnou reverzní genetiky technikou je snížit genovou expresi nebo upravovat sestřih pomocí morfolino antisense technologii. Morpholino oligonukleotidy (MO) jsou stabilní syntetické makromolekuly, které obsahují stejné báze jako DNA nebo RNA; vazbou na komplementární sekvence RNA mohou omezit expresi specifických genů nebo blokovat další procesy, které se na RNA nevyskytují. MO může být po 32-buněčné fázi injikována do jedné buňky embrya, což snižuje genovou expresi pouze v buňkách pocházejících z této buňky. Buňky v časném embryu (méně než 32 buněk) jsou interpermeabilní pro velké molekuly, což umožňuje difúzi mezi buňkami. Pokyny pro použití Morpholinos v zebrafish popisují vhodné kontrolní strategie. Morpholinos se běžně mikroinjektují v 500 pL přímo do embryí zebrafish ve stadiu 1-2 buněk. Morpholino je schopné integrovat se do většiny buněk embrya.

Známý problém s genovými knockdowns je, že proto, že genom podstoupila zdvojení po divergence paprskoploutví ryb a lalokovitých žebrovaných ryb , není vždy snadné umlčet aktivitu jednoho ze dvou genových paralogy spolehlivě v důsledku doplnění o druhý paralog. Navzdory komplikacím genomu zebrafish existuje řada komerčně dostupných globálních platforem pro analýzu jak genové exprese pomocí mikročipů, tak regulace promotoru pomocí ChIP-on-chip .

Sekvenování genomu

Wellcome Trust Sanger Institute zahájil zebrafish sekvenování genomu projekt v roce 2001, a plné sekvence genomu referenčního kmene Tübingen je veřejně k dispozici na National Center for Biotechnology Information (NCBI) "s zebrafish Genome stránku . Sekvence referenčního genomu zebrafish je komentována jako součást projektu Ensembl a je udržována Genome Reference Consortium .

V roce 2009 vědci z Ústavu genomiky a integrativní biologie v indickém Dillí oznámili sekvenování genomu divokého kmene zebrafish, který obsahoval odhadem 1,7 miliardy genetických písmen. Genom divokého zebrafish byl sekvenován při 39násobném pokrytí. Srovnávací analýza s referenčním genomem zebrafish odhalila více než 5 milionů variací jednoho nukleotidu a více než 1,6 milionu variací inzerce delece. Sekvence referenčního genomu zebrafish 1,4 GB a více než 26 000 genů kódujících protein byla publikována Kerstin Howe et al. v roce 2013.

Mitochondriální DNA

V říjnu 2001 vědci z University of Oklahoma publikovali kompletní mitochondriální sekvenci DNA D. rerio . Jeho délka je 16 596 párů bází. To je do 100 párů bází jiných příbuzných druhů ryb a je to pozoruhodně pouze o 18 párů delší než zlatá rybka ( Carassius auratus ) a o 21 delší než kapr ( Cyprinus carpio ). Jeho genový řád a obsah jsou totožné s běžnou formou obratlovců mitochondriální DNA. Obsahuje 13 genů kódujících protein a nekódující kontrolní oblast obsahující počátek replikace pro těžký řetězec. Mezi seskupením pěti genů tRNA se nachází sekvence podobná replikaci lehkého řetězce obratlovců. Je obtížné vyvodit evoluční závěry, protože je obtížné určit, zda změny párů bází mají adaptivní význam prostřednictvím srovnání s nukleotidovými sekvencemi jiných obratlovců .

Pigmentační geny

V roce 1999 byla perleťová mutace identifikována v ortologu zebrafish transkripčního faktoru savců MITF . Mutace v lidském MITF mají za následek oční vady a ztrátu pigmentu, což je typ Waardenburgova syndromu . V prosinci 2005 identifikovala studie zlatého kmene gen zodpovědný za jeho neobvyklou pigmentaci jako SLC24A5 , nosič rozpuštěné látky, který se zdál být nezbytný pro produkci melaninu , a potvrdila jeho funkci knockdownem Morpholino. Ortologní gen byl pak vyznačující se tím, lidí a rozdíl dvojice jeden báze bylo zjištěno, že silně oddělit světlou pleť Evropany a tmavou pletí Afričany. Zebrafish s perleťovou mutací jsou od té doby chováni s rybami s mutací roy orbison (roy), aby se z nich staly ryby, které nemají žádné melanofory ani iridofory a jsou transparentní do dospělosti. Tyto ryby se vyznačují rovnoměrně pigmentovanými očima a průsvitnou kůží.

Transgeneze

Transgeneze je populární přístup ke studiu funkce genů u zebrafish. Konstrukce transgenního zebrafish je poměrně snadná metodou využívající transpozonový systém Tol2 . Prvek Tol2, který kóduje gen pro plně funkční transpozázu schopnou katalyzovat transpozici v linii zárodků zebrafish. Tol2 je jediným přirozeným transponovatelným prvkem DNA u obratlovců, ze kterého byl identifikován autonomní člen.

Transparentní těla dospělých

V roce 2008 vyvinuli vědci z Bostonské dětské nemocnice nový kmen zebrafish, pojmenovaný Casper, jehož dospělá těla měla průhlednou kůži. To umožňuje detailní vizualizaci buněčné aktivity, cirkulace, metastáz a mnoha dalších jevů. V roce 2019 vědci publikovali křížení prkdc ^{-/ -} a IL2rga ^{-/ -} kmene, který produkoval transparentní, imunodeficientní potomstvo, kterému chyběly přirozené zabíječské buňky a také B - a T buňky . Tento kmen lze upravit na 37 ° C (99 ° F) teplé vody a absence imunitního systému umožňuje použití xenoimplantátů odvozených od pacienta . V lednu 2013 japonští vědci geneticky upravili transparentní vzorek zebrafish tak, aby produkoval viditelnou záři během období intenzivní mozkové aktivity.

V lednu 2007 čínští vědci z Fudan University geneticky modifikovali zebrafish, aby detekovali znečištění estrogeny v jezerech a řekách, které je spojeno s mužskou neplodností. Vědci klonovali geny citlivé na estrogen a vstříkly je do plodných vajec zebrafish. Upravené ryby se zazelenaly, pokud byly vloženy do vody znečištěné estrogenem.

Sestřih RNA

V roce 2015 vědci z Brown University zjistili, že 10% zebrafish genů nemusí spoléhat na protein U2AF2 k zahájení sestřihu RNA . Tyto geny mají páry bází DNA AC a TG jako opakované sekvence na koncích každého intronu . Na 3 's (3' sestřihové místo) se páry bází adenin a cytosin střídají a opakují a na 5 's (5' místo sestřihu) se jejich komplementy střídají a opakují také tymin a guanin . Zjistili, že existuje menší závislost na proteinu U2AF2 než u lidí, u nichž je protein nezbytný pro proces spojování. Vzorec opakujících se párů bází kolem intronů, který mění sekundární strukturu RNA, byl nalezen v jiných teleostech , ale ne v tetrapodech . To naznačuje, že evoluční změna v tetrapodech mohla vést k tomu, že se lidé při sestřihu RNA spoléhají na protein U2AF2, zatímco tyto geny u zebrafish podléhají sestřihu bez ohledu na přítomnost proteinu.

Ortologie

D. rerio má tři transferiny , z nichž všechny se shlukují s jinými obratlovci .

Inbreedingová deprese

Když se blízcí příbuzní spárují, potomstvo může vykazovat škodlivé účinky inbreedingové deprese . Inbreedingová deprese je převážně způsobena homozygotní expresí recesivně škodlivých alel. U ryb zebra lze očekávat, že deprese příbuzenského křížení bude závažnější ve stresovém prostředí, včetně prostředí způsobeného antropogenním znečištěním . Vystavení ryb zebry environmentálnímu stresu vyvolanému chemickou klotrimazolem, imidazolovým fungicidem používaným v zemědělství a ve veterinární a humánní medicíně, zesílilo účinky křížení na klíčové reprodukční znaky. U inbredních exponovaných ryb byla životaschopnost embrya významně snížena a u inbredních samců byla tendence zplodit méně potomků.

Objev a vývoj léčiv

Larva zebrafish a zebrafish je vhodný modelový organismus pro objevování a vývoj léčiv. Jako obratlovec se 70% genetickou homologií s lidmi může predikovat lidské zdraví a nemoci, zatímco jeho malá velikost a rychlý vývoj usnadňuje experimenty ve větším a rychlejším měřítku než u tradičnějších studií in vivo , včetně vývoje vyšších propustnost, automatizované vyšetřovací nástroje. Jak dokládají probíhající výzkumné programy, model zebrafish umožňuje výzkumníkům nejen identifikovat geny, které by mohly být základem lidské nemoci, ale také vyvíjet nová terapeutická činidla v programech objevování léků. Embrya zebra se ukázala jako rychlý, nákladově efektivní a spolehlivý model teratologického testu.

Obrazovky proti drogám

Screening léčiv v zebrafish lze použít k identifikaci nových tříd sloučenin s biologickými účinky nebo k opětovnému využití stávajících léků pro nová použití; příkladem posledně uvedeného by mohl být screening, který zjistil, že běžně používaný statin ( rosuvastatin ) může potlačit růst rakoviny prostaty . K dnešnímu dni bylo provedeno 65 screeningů malých molekul a alespoň jeden vedl ke klinickým testům. V rámci těchto obrazovek je ještě třeba vyřešit mnoho technických problémů, včetně rozdílných rychlostí absorpce léčiva vedoucích k úrovním vnitřní expozice, které nelze extrapolovat z koncentrace vody, a vysokých úrovní přirozených variací mezi jednotlivými zvířaty.

Toxiko- nebo farmakokinetika

Abychom porozuměli účinkům léků, je nezbytná vnitřní expozice léčivům, protože to vede k farmakologickému účinku. Převádění experimentálních výsledků ze zebrafish na vyšší obratlovce (jako jsou lidé) vyžaduje vztahy mezi koncentrací a účinkem, které lze odvodit z farmakokinetické a farmakodynamické analýzy. Kvůli své malé velikosti je však velmi náročné kvantifikovat vnitřní expozici drogám. Tradičně by bylo odebíráno více krevních vzorků, které by charakterizovaly profil koncentrace léčiva v průběhu času, ale tato technika se teprve vyvíjí. U larev zebrafish byl dosud vyvinut pouze jeden farmakokinetický model pro paracetamol .

Výpočetní analýza dat

Pomocí metod inteligentní analýzy dat lze porozumět patofyziologickým a farmakologickým procesům a následně je přenést na vyšší obratlovce, včetně lidí. Příkladem je použití systémové farmakologie , což je integrace systémové biologie a farmakometrie . Systémová biologie charakterizuje (část) organismu matematickým popisem všech příslušných procesů. Mohou to být například různé cesty přenosu signálu, které na konkrétním signálu vedou k určité odezvě. Kvantifikací těchto procesů lze pochopit a předvídat jejich chování ve zdravé a nemocné situaci. Farmakometrie využívá data z preklinických experimentů a klinických studií k charakterizaci farmakologických procesů, které jsou základem vztahu mezi dávkou léku a jeho reakcí nebo klinickým výsledkem. Může to být například absorpce léčiva v těle nebo jeho odstranění z těla nebo jeho interakce s cílem k dosažení určitého účinku. Kvantifikací těchto procesů lze porozumět jejich chování po různých dávkách nebo u různých pacientů a předvídat je pro nové dávky nebo pacienty. Integrací těchto dvou oblastí má systémová farmakologie potenciál zlepšit porozumění interakci léčiva s biologickým systémem pomocí matematické kvantifikace a následné predikce nových situací, jako jsou nové léky nebo nové organismy nebo pacienti. Pomocí těchto výpočetních metod výše zmíněná analýza vnitřní expozice paracetamolu u larev zebrafish ukázala rozumnou korelaci mezi clearance paracetamolu u zebrafish a vyššími obratlovci, včetně lidí.

Lékařský výzkum

Rakovina

Zebrafish byly použity k vytvoření několika transgenních modelů rakoviny, včetně melanomu , leukémie , rakoviny slinivky a hepatocelulárního karcinomu . Zebrafish exprimující mutované formy buď BRAF nebo NRAS onkogenů vyvíjejí melanom, když jsou umístěny na pozadí s nedostatkem p53. Histologicky se tyto nádory silně podobají lidskému onemocnění, jsou plně transplantovatelné a vykazují rozsáhlé genomové změny. Model melanomu BRAF byl použit jako platforma pro dvě obrazovky publikované v březnu 2011 v časopise Nature . V jedné studii byl model použit jako nástroj k pochopení funkční důležitosti genů, o nichž je známo, že jsou amplifikovány a nadměrně exprimovány v lidském melanomu. Jeden gen, SETDB1, výrazně zrychlil tvorbu nádoru v systému zebrafish, což dokazuje jeho důležitost jako nového melanomového onkogenu. To bylo zvláště významné, protože je známo, že SETDB1 se podílí na epigenetické regulaci, která je stále více ceněna jako ústřední v biologii nádorových buněk.

V jiné studii bylo vyvinuto úsilí terapeuticky zaměřit genetický program přítomný v buňce neurální lišty původu tumoru pomocí přístupu chemického screeningu. To odhalilo, že inhibice proteinu DHODH (malou molekulou nazývanou leflunomid) zabránila vývoji kmenových buněk neurálního hřebene, které nakonec vedly ke vzniku melanomu interferencí s procesem prodloužení transkripce. Protože by se tento přístup zaměřil spíše na „identitu“ melanomové buňky než na jedinou genetickou mutaci, může mít leflunomid využití při léčbě lidského melanomu.

Kardiovaskulární onemocnění

V kardiovaskulárním výzkumu byla zebra použita k modelování srážení krve , vývoje krevních cév , srdečního selhání a vrozeného srdečního a ledvinového onemocnění .

Imunitní systém

V programech výzkumu akutního zánětu , což je hlavní podpůrný proces mnoha nemocí, vědci vytvořili zebrafský model zánětu a jeho řešení. Tento přístup umožňuje detailní studium genetických kontrol zánětu a možnosti identifikace potenciálních nových léků.

Zebrafish byl široce používán jako modelový organismus ke studiu přirozené imunity obratlovců. Vrozený imunitní systém je schopen fagocytární aktivity 28 až 30 hodin po oplodnění (hpf), zatímco adaptivní imunita není funkčně zralá alespoň 4 týdny po oplodnění.

Infekční choroby

Jelikož je imunitní systém mezi zebrafish a lidmi relativně konzervovaný, lze u zebrafish modelovat mnoho lidských infekčních chorob. Transparentní stádia raného života jsou velmi vhodná pro zobrazování in vivo a genetickou disekci interakcí hostitel-patogen. Zebrafish modely pro širokou škálu bakteriálních, virových a parazitických patogenů již byly zavedeny; například zebrafish model pro tuberkulózu poskytuje zásadní pohled na mechanismy patogeneze mykobakterií. Kromě toho byla vyvinuta robotická technologie pro vysoce účinný screening antimikrobiálních léčiv pomocí modelů infekce zebrafish.

Oprava poškození sítnice

Další pozoruhodnou vlastností zebrafish je, že má čtyři typy kuželových buněk , přičemž buňky citlivé na ultrafialové záření doplňují podtypy buněk červeného, ​​zeleného a modrého kužele, které se nacházejí u lidí. Zebrafish tak může pozorovat velmi široké spektrum barev. Tento druh je také studován, aby lépe porozuměl vývoji sítnice; zejména jak se kuželové buňky sítnice uspořádají do takzvané „kuželové mozaiky“. Zebrafish, kromě některých dalších teleostních ryb, se vyznačuje zejména extrémní přesností uspořádání kuželových buněk.

Tato studie charakteristik sítnice zebrafish se také extrapolovala do lékařského vyšetřování. V roce 2007 vědci z University College London vypěstovali typ dospělé kmenové buňky zebrafish nalezené v očích ryb a savců, která se v sítnici vyvíjí na neurony . Ty by mohly být injektovány do oka k léčbě onemocnění, které poškozují sítnicové neurony -téměř každé onemocnění oka, včetně makulární degenerace , glaukomu a slepoty související s diabetem . Vědci zkoumali Müllerovy gliové buňky v očích lidí ve věku od 18 měsíců do 91 let a dokázali je vyvinout do všech typů sítnicových neuronů. Také je dokázali snadno pěstovat v laboratoři. Kmenové buňky úspěšně migrovaly do sítnic nemocných krys a získaly vlastnosti okolních neuronů. Tým uvedl, že mají v úmyslu vyvinout stejný přístup u lidí.

Svalové dystrofie

Svalové dystrofie (MD) jsou heterogenní skupinou genetických poruch, které způsobují svalovou slabost, abnormální kontrakce a ochabování svalů, často vedoucí k předčasné smrti. Zebrafish je široce používán jako modelový organismus ke studiu svalových dystrofií. Například sapje ( sap ) mutant je zebrafish ortolog lidské Duchennovy svalové dystrofie (DMD). Machuca-Tzili a spolupracovníci použili zebrafish k určení role alternativního sestřihového faktoru, MBNL, v patogenezi myotonické dystrofie typu 1 (DM1). Více nedávno, Todd et al. popsal nový model zebrafish navržený tak, aby prozkoumal dopad opakované exprese CUG během časného vývoje u nemoci DM1. Zebrafish je také vynikajícím zvířecím modelem ke studiu vrozených svalových dystrofií včetně CMD typu 1 A (CMD 1A) způsobených mutací v genu pro lidský laminin α2 (LAMA2). Zebrafish se díky svým výhodám diskutovaným výše, a zejména schopnosti embryí zebrafish absorbovat chemikálie, stal modelem volby při screeningu a testování nových léků proti svalovým distrofiím.

Fyziologie a patologie kostí

Zebrafish byly použity jako modelové organismy pro kostní metabolismus, přeměnu tkáně a resorpční aktivitu. Tyto procesy jsou z velké části evolučně konzervované. Byly použity ke studiu osteogeneze (tvorba kostí), hodnocení diferenciace, aktivity depozice matrice a křížových rozhovorů o kosterních buňkách, k vytváření a izolaci mutantů modelovajících onemocnění lidských kostí a testování nových chemických sloučenin na schopnost vrátit kostní defekty. Larvy mohou být použity ke sledování nové ( de novo ) tvorby osteoblastů během vývoje kostí. Začínají mineralizovat kostní prvky již 4 dny po oplodnění. V poslední době se dospělí zebři používají ke studiu komplexních onemocnění kostí souvisejících s věkem, jako je osteoporóza a osteogenesis imperfecta . (Elasmoidní) váhy zebrafish fungují jako ochranná vnější vrstva a jsou to malé kostnaté destičky vyrobené osteoblasty. Tyto exoskeletální struktury jsou tvořeny osteoblasty ukládajícími kostní matrix a jsou remodelovány osteoklasty. Váhy také slouží jako hlavní úložiště vápníku pro ryby. Mohou být kultivovány ex vivo (udržovány naživu mimo organismus) na vícejamkové destičce, která umožňuje manipulaci s léky a dokonce i screening nových léků, které by mohly změnit metabolismus kostí (mezi osteoblasty a osteoklasty).

Cukrovka

Vývoj zebrafish pankreasu je velmi homologní se savci, jako jsou myši. Signalizační mechanismy a způsob fungování slinivky jsou velmi podobné. Pankreas má endokrinní kompartment, který obsahuje různé buňky. Pankreatické PP buňky, které produkují polypeptidy, a p-buňky produkující inzulín jsou dva příklady těchto buněk. Tato struktura slinivky břišní spolu se systémem homeostázy glukózy pomáhají při studiu nemocí, jako je diabetes, které souvisejí se slinivkou břišní. Modely pro funkci pankreatu, jako je fluorescenční barvení proteinů, jsou užitečné při určování procesů glukózové homeostázy a vývoje pankreatu. Testy tolerance glukózy byly vyvinuty pomocí zebrafish a nyní je lze použít k testování intolerance glukózy nebo diabetu u lidí. Funkce inzulínu se testuje také na zebrafish, což dále přispěje k humánní medicíně. Většina práce kolem znalostí o homeostáze glukózy pochází z prací na zebrafish přenesených na člověka.

Obezita

Zebrafish byly použity jako modelový systém ke studiu obezity, s výzkumem jak genetické obezity, tak obezity vyvolané nadměrnou výživou. Obézní zebřičky, podobné obézním savcům, vykazují dysregulaci metabolických drah kontrolujících lipidy, což vede k přibývání na váze bez normálního metabolismu lipidů. Také jako savci ukládají zebrafish přebytečné lipidy do viscerálních, intramuskulárních a subkutánních tukových depozit. Tyto a další důvody dělají zebrafish dobrým modelem pro studium obezity u lidí a jiných druhů. Genetická obezita se obvykle studuje na transgenních nebo mutovaných zebrafish s obezogenními geny. Například transgenní zerbafish s nadměrně exprimovaným AgRP, endogenním antagonistou melacortinu, vykazoval zvýšenou tělesnou hmotnost a ukládání tuku během růstu. Ačkoli geny zebrafish nemusí být úplně stejné jako lidské geny, tyto testy by mohly poskytnout důležitý pohled na možné genetické příčiny a způsoby léčby lidské genetické obezity. Modely zebrafish způsobené obezitou způsobené dietou jsou užitečné, protože dietu lze upravit již od útlého věku. Dieta s vysokým obsahem tuku a všeobecná strava s překrmováním vykazují rychlé zvýšení ukládání tuků, zvýšení BMI, hepatosteatózu a hypertriglyceridémii. Vzorky s normálním tukem a přemnožené vzorky jsou stále metabolicky zdravé, zatímco vzorky s vysokým obsahem tuku nejsou. Pochopení rozdílů mezi typy obezity způsobené krmením by se mohlo ukázat jako užitečné při léčbě obezity a souvisejících zdravotních stavů u lidí.

Toxikologie životního prostředí

Zebrafish byly použity jako modelový systém v toxikologických studiích životního prostředí .

Epilepsie

Zebrafish byly použity jako modelový systém ke studiu epilepsie. Savčí záchvaty lze rekapitulovat molekulárně, behaviorálně a elektrofyziologicky pomocí zlomku zdrojů potřebných pro experimenty na savcích.

Viz také

• Japonská rýžová ryba nebo medaka, další ryba používaná pro genetický, vývojový a biomedicínský výzkum
• Seznam druhů sladkovodních akvarijních ryb
• ZebraBox , specializovaný kontejner pro vědecké studium zebrafish

Reference

Další čtení

externí odkazy

• Britská asociace chovu zeberů
• International Zebrafish Society (IZFS)
• Evropská společnost pro modely ryb v biologii a medicíně (EuFishBioMed)
• Informační síť Zebrafish (ZFIN)
• The Zebrafish International Resource Center (ZIRC)
• Evropské středisko pro zdroje zebra (EZRC)
• The China Zebrafish Resource Center (CZRC)
• Projekt sekvenování genomu Zebrafish v institutu Wellcome Trust Sanger
• FishMap: Zebrafish Community Genomics Browser v Ústavu genomiky a integrativní biologie (IGIB)
• WebHome Zebrafish GenomeWiki Beta Preview na IGIB
• Iniciativa sekvenování genomu na IGIB
• Danio rerio na Danios.info
• Sanger Institute Zebrafish Mutation Resource
• Zebrafish genom přes Ensembl
• FishforScience.com - použití zebrafish pro lékařský výzkum
• FishForPharma
• Chov zebra
• Prohlédněte si sestavu genomu danRer10 v prohlížeči genomu UCSC .