Začíná to sexem na pláži. Páry zebřiček se oddělí od zbytku hejna, přesunou se do stále mělčí vody a pokračují v rychlých, střemhlavých pohybech kolem sebe. Když samice dosáhne dna, které je jen několik centimetrů pod hladinou, spustí se biologická reakce vyvolaná blízkostí břehu a samice naklade snůšku několika set vajíček. Ta jsou ihned oplodněna jejím partnerem. Během několika dní se stovky mladých zebřiček vyvinou do stadia, kdy mohou lovit a požírat kořist.
Je to pozoruhodný výkon, jeden z nejzajímavějších rozmnožovacích rituálů v přírodě (viz rámeček na straně 32). Páření zebřiček má však důsledky, které dalece přesahují pouhou biologickou kuriozitu. Jedná se o rybu, která v posledních letech získala překvapivý vědecký význam a která nyní hraje klíčovou roli při odhalování role všech 20 000 genů v lidském těle. Z tvora známého především jako akvarijní mazlíček se stala vědecká hvězda.
Je to dramatická proměna. Ale proč k ní došlo? Co je na tomto drobném, černobílém obyvateli asijských sladkovodních toků tak zvláštního. A co je ještě důležitější, jaká lékařská tajemství pomáhá odhalit? Odpověď na první otázku je jednoduchá. Popularita zebřiček prudce stoupá, protože splňují téměř všechny požadavky na seznamu vlastností, které vědci hledají, když se snaží modelovat lidské nemoci.
Na začátek je tu jednoduchá otázka počtu. Pokaždé, když zebřička naklade vajíčka, vyprodukuje stovky potomků, což vědcům poskytuje dostatečnou zásobu cílů pro jejich výzkum. Kromě toho zebřičky rostou ohromující rychlostí. „Embryo se za den vyvine tolik jako lidské embryo za měsíc a ryba dosáhne plné dospělosti – a své maximální velikosti kolem dvou centimetrů – během tří měsíců,“ říká Elisabeth Busch-Nentwichová, výzkumnice zebřiček ze Sangerova institutu v Cambridgeshire.
Pro zajímavost, v laboratořích je snadné udržet velké množství zebřiček. Strava složená ze slaných krevet a sladké vody jim vystačí na dlouhá léta. A konečně, což je pravděpodobně nejdůležitější, mladé zebřičky jsou téměř zcela průhledné, což je zásadní vlastnost, neboť to vědcům umožňuje studovat buňky uvnitř jejich těla, jak rostou a dělí se. Tento poslední bod zdůrazňuje další Sangerova výzkumnice Keren Carssová. „Na embryích zebřiček můžete provádět nejrůznější experimentální změny a téměř okamžitě vidět fyziologické výsledky. A tyto změny můžete studovat velmi snadno, protože zebřičky jsou téměř průhledné. Můžete vidět, co se děje, aniž byste se jich dotýkali, a to u jiných laboratorních zvířat, která musíte pro studium usmrtit, nejde. Díky tomu jsou zebřičky pro vědu velmi užitečné.“
V podstatě jsou Danio rerio, abychom jim dali vědecký název, pro moderní biologický výzkum ani ne tak užitečné, jako spíše nepostradatelné. V kombinaci s její průhledností a pozoruhodnou rychlostí růstu je genetická struktura zebřiček překvapivě blízká struktuře Homo sapiens.
Vědci již díky tomu použili tyto ryby k určení funkcí stovek lidských genů. „Díky dokončení projektu lidského genomu před deseti lety jsme objevili struktury všech zhruba 20 000 genů, které tvoří lidskou konstituci,“ říká Derek Stemple, vedoucí oddělení genetiky myší a zebřiček v Sangeru.
„Ale nedozvěděli jsme se, co tyto geny dělají uvnitř lidského těla. To je úkol, který před námi stojí dnes. Potřebujeme zjistit, co naše geny dělají, jaké proteiny vytvářejí a jak spolu interagují. Dozvěděli jsme se, co některé geny dělají, ale role naprosté většiny z nich zůstává záhadou – a v tom nám pomáhá zebřička.“
„Ukázalo se, že asi 70 % našich genů má protějšek u zebřičky. Přesněji řečeno, pokud se podíváte na geny, které způsobují onemocnění u člověka, 84 % z nich má analogy u zebřiček. Proto nadace Wellcome Trust zaplatila tolik peněz na studium zebřiček v Sangerově institutu.“
Mezi úspěchy dosažené porovnáváním genomů člověka a zebřiček patří objevy několika dříve neznámých genů, které se podílejí na vzácných formách svalové dystrofie; genetických drah podílejících se na vývoji lidských embryí a fyziologii srdce; a léků, které se nyní testují jako budoucí léčba rakoviny kůže. Dalším příkladem je práce Dr. Tima Chica, konzultanta kardiologa na Sheffieldské univerzitě. „Stejné dráhy a geny, které vytvořily mé a vaše srdce, jsou zodpovědné za zapínání vývoje srdce u zebřiček,“ upozorňuje Chico. A tato podobnost má velmi důležité důsledky, dodává.
„Máme knihovnu mnoha tisíc sloučenin, které by mohly být dalším nejlepším lékem na srdeční choroby. Díky zebřičkám je můžeme velmi rychle prověřit a zjistit, zda mají sloučeniny nějaký účinek. Můžeme vypínat geny a sledovat, jak zebřičky obnovují růst cév, aby opravily poškození. Pokud bychom dokázali zapnout správné geny u lidí, pak bychom mohli žít déle a lépe přežívat po infarktu.“
Tyto projekty vysvětlují, proč se zebřička stala pro vědce tak oblíbeným zvířetem. Ale jak přesně vědci proměňují informace z tvora, který měl s lidstvem společného předka naposledy asi před 300 miliony let? Odpověď poskytuje Stemple. Výzkumník sedí v kanceláři plné jízdních kol, ochranných přileb a různých odložených kusů oblečení. Z jeho pokoje je výhled na rozlehlé staveniště na okraji genomového areálu v Cambridgeshire, kde se buduje nové centrum Evropského bioinformatického institutu, který sdílí areál se Sangerovým institutem. Genome Campus, který byl poprvé vybudován v minulém století, se od té doby intenzivně rozšiřuje díky pozoruhodnému rozmachu genových technologií.
Vědcům trvalo roky a utratili miliardy liber, než sekvencovali vůbec první lidský genom. Dnes lze tento úkol provést za několik tisíc liber a trvá jen několik hodin. Z automatických sekvenátorů genů v Sangerově institutu nyní denně proudí biliony bitů dat, jak jeho vědci zkoumají genetické struktury pacientů, zvířat – včetně zebřiček – a nádorových buněk, což je lavina dat, která je řízena ze sady výkonných počítačů, jež mají vlastní, impozantně velkou budovu. „Bioinformatika je věda budoucnosti,“ říká Stemple. „Je hnacím motorem naší práce zde a je hnacím motorem našeho výzkumu na zebřičkách.“
Schopnost analyzovat obrovské objemy dat je důležitá při využívání zebřiček k odhalování tajemství lidských genů. Základní postupy používané k získání těchto informací však vycházejí z tradičnějších přístupů ke genetickému výzkumu. „To, co děláme, je generování mutací,“ říká Stemple. „Samce zebřiček ošetřujeme chemickými látkami, které vytvářejí mutace v jejich genech.“
Geny jsou zodpovědné za řízení výroby proteinů v tělech všech živočichů. Mutace v genu tedy naruší bílkovinu, kterou vyrábí. Může například vyrábět bílkovinu, která je zkrácena na polovinu. Trik vědců spočívá v tom, že spojí konkrétní mutaci genu se změnou vzhledu nebo chování zebřiček, což je spojení, které je dovede k odhalení proteinu, který je obvykle tímto genem vyráběn.
„Naším cílem je zjistit funkci genu, když není zmutovaný, když je v normálním stavu,“ dodává Busch-Nentwich. „Protože zebřičky mají tolik blízkých protějšků genů Homo sapiens, že nám to napoví i o funkci lidského genu.“
Za tímto účelem vědci – jakmile vytvoří své zmutované zebří samce – je zkříží s neupravenými, normálními zebřími samicemi. Mutace samců se pak přenášejí na novou generaci zebřiček. Tuto první generaci ryb pak kříží, aby vytvořili druhou generaci, v níž některé ryby mají dvě kopie stejného zmutovaného genu – jednu od matky, druhou od otce – a která se zřetelně projeví ve fyziologii mladých ryb.
„Také sekvenujeme genomy ryb, které chováme,“ dodává Stemple. „Pak se podíváme na ryby v naší konečné generaci a zkoumáme ty s neobvyklými rysy. Nedávno jsme například našli jednu rodinu zebřiček, vytvořenou díky našemu výzkumu mutací, která zcela postrádala pigmentaci.
„Z analýzy genomu jsme také zjistili, že má mutaci v genu zvaném slc22a7b. Existovala jasná souvislost naznačující, že tento gen se podílí na pigmentaci. Přesněji řečeno, existuje lidský ekvivalent tohoto genu, o němž se nyní domníváme, že je zodpovědný za kódování genů, které se u lidí podílejí na pigmentaci.“
Další příklad hodnoty zebřiček pro medicínu poskytuje výzkum, který Carss provedl v Sangeru. Pracuje na formě svalové dystrofie známé jako dystroglykanopatie, která se obvykle vyskytuje u kojenců a malých dětí a způsobuje slabost a ztrátu pohyblivosti. Pomocí zebřiček Carss zjistil, že mutace v genech B3galnt2 a GmppB vedou ke vzniku embryí, která jsou ve srovnání se zdravými embryi malá a ohnutá.
„Embrya zebřiček s narušenými geny mají strukturální a funkční defekty, které napodobují příznaky dětí s dystroglykanopatií,“ dodává Carss. „Je to velmi pádný důkaz, že mutace, které jsme našli v B3galnt2 a GmppB, způsobují dystroglykanopatii u dětí. To, že víme, že se jedná o tyto geny, nám dává vodítko k tomu, jakou léčbu bychom mohli těmto dětem poskytnout. Pro jistotu lze k testování těchto léčebných postupů použít embrya zebřiček.“
Nadšení z výzkumu na zebřičkách sdílí také Leonard Zon, profesor dětského lékařství v Bostonské dětské nemocnici, která je součástí Harvardské lékařské fakulty. „Zebřičky jsou fantastický biologický systém,“ říká. „Jejich embrya mohou absorbovat chemické látky, které jste jim přidali do vody. Je tedy snadné vyvolat mutace v jejich genech.“
V jedné sadě experimentů, které jeho tým provedl, přidával Zon embryím zebřiček různé léky a objevil jeden z nich, zvaný prostaglandin E2, který u nich zvýšil hladinu krevních kmenových buněk – a tím i hladinu krevních kmenových buněk u lidí. Tyto buňky, které vznikají v kostní dřeni, jsou předchůdci všech typů buněk, z nichž se skládá naše krev, včetně bílých krvinek, které tvoří náš imunitní systém.
Objev by mohl být významný, říká Zon, protože by mohl být využit ke zlepšení transplantace kmenových buněk u pacientů, zejména těch, kteří trpí rakovinou. „Kostní dřeň se během chemoterapie ničí a po ukončení léčby musí být u pacientů nahrazena. Pokud pacient nemá příbuzného, jehož kostní dřeň by odpovídala jeho kostní dřeni, použije lékař krevní kmenové buňky odebrané z pupečníku. Ty se dnes běžně uchovávají v pupečníkových bankách. Transfuze pupečníkové krve mohou obnovit imunitní systém pacientů. V těchto pupečnících je však uloženo pouze několik buněk a je třeba najít způsob, jak rychle zvýšit počet krevních kmenových buněk v době, kdy je imunitní systém pacientů oslaben. Prostaglandin E2 – který jsme vytipovali na základě naší práce na zebřičkách – naznačuje způsob, jak toho dosáhnout.“
Tuto myšlenku již podpořily první experimenty na zebřičkách a myších. Zon a jeho tým odebrali myším kostní dřeň a některé z nich ošetřili prostaglandinem. Část ponechali bez léčby. Poté vědci kostní dřeň myším vrátili. Dřeň ošetřená prostaglandinem obnovila krevní a imunitní systém myší mnohem rychleji než neošetřená verze.
Tato práce na zvířatech byla nyní zopakována v první fázi klinické studie u lidí, dodal Zon. U pacientů s leukémií, kteří podstoupili chemoterapii, bylo zjištěno, že transfuze pupečníkové krve, která byla ošetřena prostaglandinem, obnovila bílé krvinky a krevní destičky o několik dní dříve ve srovnání s pacienty, kterým nebyl do transfuze pupečníkové krve přidán prostaglandin. „Je to velmi slibný vývoj,“ dodává Zon.
Sangerův institut má finanční prostředky na studium 8 000 sad křížených mutantních zeber, od kterých jeho vědci očekávají, že určí funkci 80-90 % všech lidských genů.
„Dosud jsme sekvenovali genomy asi 3 000 mutantních zeber a identifikovali mutace asi v polovině všech genů kódujících proteiny,“ říká Stemple. Všechny tyto informace zpřístupňujeme veřejnosti prostřednictvím center, jako je Zebrafish International Resource Centre v Oregonu a European Zebrafish Resource Centre v německém Karlsruhe. Do těchto center také posíláme vzorky zmrazeného spermatu z každého mutantního kmene zebřiček, které jsme vytvořili, aby tam mohly být archivovány. Vědci kdekoli na světě pak mohou požádat o použití tohoto zmrazeného spermatu k vytvoření kmene zebřiček s určitou mutací. Léky, které by mohly léčit nemoci spojené s lidským ekvivalentem tohoto genu, pak mohou být testovány, aby se našel ten nejúčinnější.
„Tímto způsobem vyvíjíme nesmírně mocný nástroj, který přesně určí funkce všech našich genů a pomůže nám vytvořit nové léky, které mohou řešit nemoci spojené s těmito geny. A to vše se děje díky zebřičkám.“
{{vlevo nahoře}}
{{vlevo dole}}
{{vpravo nahoře}}
{{vpravo dole}}
.
{{/goalExceededMarkerPercentage}}
{{/ticker}}
{{heading}}
{{#paragraphs}}
{{.}}
{{/paragraphs}}{{highlightedText}}
- Sdílet na Facebooku
- Sdílet na Twitteru
- Sdílet e-mailem
- Sdílet na LinkedIn
- Sdílet na Pinterestu
- Sdílet na WhatsApp
- Sdílet na Messenger
.