Det begynder med sex på stranden. Par af zebrafisk adskiller sig fra resten af deres stime og bevæger sig ind i mindre og mindre dybt vand, mens de fortsætter med at boltre sig omkring hinanden i hurtige, pilende bevægelser. Når hunnen når ned til bunden, der kun er et par centimeter under vandlinjen, udløses en biologisk reaktion af hendes nærhed til kysten, og hun lægger et kuld på flere hundrede æg. Disse bliver straks befrugtet af hendes partner. I løbet af få dage har hundredvis af unge zebrafiskunger udviklet sig til et stadie, hvor de kan jage og spise bytte.
Det er en bemærkelsesværdig præstation, et af naturens mere fascinerende formeringsritualer (se boks, side 32). Men zebrafiskens parring har implikationer, der rækker langt ud over blot biologisk nysgerrighed. Det er en fisk, der har fået en forbløffende videnskabelig betydning i de seneste år, og som nu spiller en nøglerolle i opklaringen af rollerne for alle de 20.000 gener i menneskekroppen. En skabning, der bedst var kendt som et akvariehusdyr, er blevet en videnskabelig stjerne.
Det er en dramatisk forvandling. Men hvorfor er den sket? Hvad er der så specielt ved denne lille, sort-hvide beboer i asiatiske ferskvandsbække. Og, endnu vigtigere, hvad er de medicinske hemmeligheder, som den er med til at afdække? Svaret på det første spørgsmål er ligetil. Zebrafisken er blevet så populær, fordi den opfylder stort set alle krav på en ønskeliste over egenskaber, som forskerne søger, når de forsøger at modellere sygdomme hos mennesker.
For det første er der det enkle spørgsmål om antal. Hver gang en zebrafisk lægger sine æg, producerer den hundredvis af afkom, hvilket giver forskerne et rigeligt udbud af mål for deres forskning. Desuden vokser zebrafiskerne med en forbløffende hastighed. “Et embryo udvikler sig lige så meget på en dag, som et menneskeembryo gør på en måned, og en fisk når fuldvoksen alder – og sin maksimale størrelse på ca. 5 cm – inden for tre måneder”, siger zebrafiskforsker Elisabeth Busch-Nentwich fra Sanger Institute i Cambridgeshire.
Dertil kommer, at det er let at holde et stort antal zebrafisk i laboratorierne. En diæt bestående af saltvandsrejer og ferskvand vil holde dem tilfredse i årevis. Og endelig, og nok vigtigst af alt, er unge zebrafisk næsten helt gennemsigtige, hvilket er en vigtig egenskab, for det giver forskerne mulighed for at studere cellerne inde i deres kroppe, mens de vokser og deler sig. Dette sidste punkt understreges af en anden Sanger-forsker, Keren Carss. “Man kan foretage alle mulige eksperimentelle ændringer på zebrafiskembryoner og se de fysiologiske resultater næsten med det samme. Og man kan meget let studere disse ændringer på grund af zebrafiskens næsten gennemsigtighed. Man kan se, hvad der foregår uden at røre dem, og det er ikke noget, man kan gøre med andre forsøgsdyr, som skal aflives for at blive undersøgt. Det gør zebrafisken meget nyttig for videnskaben.”
Så er Danio rerio, for at give dem deres videnskabelige navn, faktisk ikke så meget nyttig for moderne biologisk forskning som uundværlig. I kombination med dens gennemsigtighed og dens bemærkelsesværdige væksthastighed er zebrafiskens genetiske struktur overraskende tæt på Homo sapiens.
Som følge heraf har forskerne allerede brugt fisken til at udpege funktionerne af hundredvis af menneskelige gener. “Takket være afslutningen af Human Genome Project for 10 år siden opdagede vi strukturen af alle de ca. 20.000 gener, der udgør den menneskelige forfatning”, siger Derek Stemple, leder af muse- og zebrafiskgenetik på Sanger.
“Men vi har ikke lært, hvad disse gener gør inde i menneskekroppen. Det er den opgave, vi står over for i dag. Vi er nødt til at finde ud af, hvad vores gener gør, hvilke proteiner de laver, og hvordan de interagerer. Vi har lært, hvad nogle gener gør, men de fleste af dem har fortsat en mystisk rolle – og det er her, zebrafisken kommer ind i billedet.
“Omkring 70 % af vores gener viser sig at have en zebrafisk-modstykke. Hvis man ser på de gener, der forårsager sygdomme hos mennesker, har 84 % af dem zebrafisk-analoger. Det er derfor, at Wellcome Trust har betalt så mange penge for at studere zebrafisk på Sanger Institute.”
Succeser opnået ved at sammenligne menneskets og zebrafiskens genomer omfatter opdagelser af flere tidligere ukendte gener, der er involveret i sjældne former for muskeldystrofi, af genetiske veje, der er involveret i udviklingen af menneskelige embryoner og hjertets fysiologi, og af lægemidler, der nu testes som fremtidige behandlinger for hudkræft. Dr. Tim Chico, der er kardiolog ved Sheffield Universitet, er et andet eksempel på dette arbejde. “De samme veje og gener, som har skabt mit hjerte og dit hjerte, er ansvarlige for at sætte gang i hjerteudviklingen hos zebrafisk”, påpeger Chico. Og denne lighed har meget vigtige konsekvenser, tilføjer han.
“Vi har et bibliotek med mange tusinde forbindelser, som måske kan være det næste bedste lægemiddel mod hjertesygdomme. Med zebrafisk kan vi meget hurtigt screene dem for at se, om stofferne har en effekt. Vi kan slukke for gener og se, hvordan zebrafisken genvinder karrene for at reparere skader. Hvis vi kunne tænde de rigtige gener hos mennesker, kunne vi leve længere og overleve bedre efter et hjerteanfald.”
Disse projekter forklarer, hvorfor zebrafisken er blevet et så populært dyr for forskere. Men hvordan præcist omsætter forskerne oplysninger fra et dyr, der sidst delte en fælles forfader med menneskeheden for ca. 300 millioner år siden? Svaret er givet af Stemple. Forskeren sidder på et kontor fyldt med cykler, styrthjelme og forskellige genstande af kasseret tøj. Fra hans værelse er der udsigt over en stor byggeplads i udkanten af Cambridgeshires Genome Campus, hvor et nyt center for Det Europæiske Bioinformatikinstitut, som deler området med Sanger Instituttet, er ved at blive bygget. Genome Campus blev først udviklet i det forrige århundrede og har siden da været genstand for en intens ekspansion, drevet af det bemærkelsesværdige boom inden for genteknologi.
Forskere tog år og brugte milliarder af pund på at sekventere det allerførste menneskelige genom. I dag kan denne opgave udføres for et par tusinde pund og tager kun et par timer. Trillioner af bits af data strømmer nu dagligt fra de automatiserede gensekventeringsmaskiner på Sanger Institute, når dets forskere undersøger de genetiske strukturer hos patienter, dyr – herunder zebrafisk – og tumorceller, en lavine af data, der styres fra et sæt kraftfulde computere, som har deres egen, imponerende store bygning. “Bioinformatik er fremtidens videnskab”, siger Stemple. “Den er drivkraften bag vores arbejde her, og den er drivkraften bag vores forskning i zebrafisk.”
Det er vigtigt at være i stand til at analysere store mængder data, når man bruger zebrafisk til at finde ud af hemmelighederne bag menneskelige gener. De underliggende procedurer, der anvendes til at generere disse oplysninger, er imidlertid baseret på mere traditionelle tilgange til genetisk forskning. “Det, vi gør, er at generere mutationer”, siger Stemple. “Vi behandler han-zebrafisk med kemikalier, og det skaber mutationer i deres gener.”
Generne er ansvarlige for at styre fremstillingen af proteiner i alle dyrs kroppe. Så en mutation i et gen vil forstyrre det protein, som det producerer. Det kan f.eks. fremstille et protein, der er halveret. Forskernes trick er at forbinde en specifik mutation i et gen med en ændring i zebrafiskens udseende eller adfærd, en forbindelse, som vil føre dem til at afdække det protein, der normalt fremstilles af det pågældende gen.
“Vores mål er at finde ud af funktionen af et gen, når det ikke er muteret, når det er i sin normale tilstand”, tilføjer Busch-Nentwich. “Fordi zebrafisk har så mange tætte modstykker til generne hos Homo sapiens vil det også fortælle os, hvilken funktion det menneskelige gen har.”
For at gøre dette skal forskerne – når de har skabt deres muterede zebrafiskhanner – parre dem med ubehandlede, normale zebrafiskhunner. Hannernes mutationer gives derefter videre til en ny generation af zebrafisk. Denne første generation af fisk krydses derefter for at skabe en anden generation, hvor nogle fisk har to kopier af det samme muterede gen – en fra deres mødre og en fra deres fædre – og som tydeligt vil manifestere sig i de unge fisks fysiologi.
“Vi sekvenserer også genomerne af de fisk, vi avler”, tilføjer Stemple. “Derefter ser vi på fiskene i vores sidste generation og undersøger dem, der har usædvanlige kendetegn. For eksempel fandt vi for nylig en familie af zebrafisk, der blev skabt gennem vores mutationsforskning, og som helt manglede pigmentering.
“Vi kunne også se på vores genomanalyse, at den havde en mutation i et gen kaldet slc22a7b. Der var en klar forbindelse, der indikerede, at dette gen er involveret i pigmentering. Mere præcist er der en menneskelig pendant til dette gen, som vi nu mener er ansvarlig for at kode for gener, der er involveret i pigmentering hos mennesker.”
Et andet eksempel på zebrafiskens værdi for lægevidenskaben er forskning udført af Carss på Sanger. Hun arbejder med en form for muskeldystrofi kaldet dystroglycanopati, som generelt findes hos spædbørn og småbørn og forårsager svaghed og tab af bevægelsesmuligheder. Ved hjælp af zebrafisk har Carss opdaget, at mutationer i generne B3galnt2 og GmppB gav embryoner, der var små og bøjede sammenlignet med raske embryoner.
“Zebrafiskembryoner med de forstyrrede gener har strukturelle og funktionelle defekter, der efterligner symptomerne hos børn med dystroglycanopati”, tilføjer Carss. “Det er et meget stærkt bevis for, at de mutationer, vi fandt i B3galnt2 og GmppB, forårsager dystroglycanopati hos børn. Når vi ved, at disse gener er involveret, får vi et fingerpeg om, hvilke behandlinger vi måske kan give disse børn. For en god ordens skyld kan zebrafiskembryoner bruges til at afprøve disse behandlinger.”
Entusiasme for zebrafiskforskning deles også af Leonard Zon, professor i pædiatrisk medicin på Boston Children’s Hospital, der er en del af Harvard Medical School. “Zebrafisken er et fantastisk biologisk system”, siger han. “Deres embryoner kan absorbere kemikalier, som man har tilsat til deres vand. Så det er let at fremkalde mutationer i deres gener.”
I en række forsøg, som hans hold har udført, har Zon tilsat forskellige stoffer til zebrafiskembryoner og opdaget et stof, kaldet prostaglandin E2, som øgede deres niveauer af blodstamceller – og dermed også blodstamcelleniveauet hos mennesker. Disse celler, som dannes i knoglemarven, er forløbere for alle de celletyper, der udgør vores blod, herunder de hvide celler, der danner vores immunsystem.
Odækningen kan være betydningsfuld, siger Zon, fordi den kan bruges til at forbedre stamcelletransplantationer til patienter, især dem, der lider af kræft. “Knoglemarv ødelægges under kemoterapi og skal erstattes hos patienterne, når deres behandling er afsluttet. Hvis en patient ikke har en slægtning, hvis knoglemarv passer til hans eller hendes, vil lægen bruge blodstamceller fra navlestrengen. Disse opbevares rutinemæssigt i navlestrengsbanker i dag. Transfusioner af navlestrengsblod kan genoprette patienternes immunsystem. Disse navlestrenge indeholder dog kun få celler, og vi må finde måder at øge antallet af blodstamceller hurtigt på, mens patienterne har et svækket immunforsvar. Prostaglandin E2 – som vi har fundet frem til gennem vores arbejde med zebrafisk – kan være en måde at gøre det på.”
Denne idé er allerede blevet bakket op af tidlige forsøg på zebrafisk og mus. Zon og hans team tog knoglemarv ud af mus og behandlede nogle af dem med prostaglandin. Noget blev efterladt ubehandlet. Derefter gav forskerne knoglemarven tilbage til musene. Den knoglemarv, der var behandlet med prostaglandin, genoprettede musenes blod- og immunsystem meget hurtigere end den ubehandlede version.
Dette dyrearbejde er nu blevet gentaget i et klinisk forsøg i fase et på mennesker, tilføjede Zon. Hos leukæmipatienter, der havde gennemgået kemoterapi, viste det sig, at transfusioner af navlestrengsblod, der var behandlet med prostaglandin, genoprettede hvide blodlegemer og blodplader flere dage tidligere sammenlignet med patienter, der ikke fik tilsat prostaglandin til deres transfusioner af navlestrengsblod. “Det er en meget lovende udvikling,” tilføjer Zon.
Sanger Institute har midler til at undersøge 8.000 sæt krydsede mutante zebrafisk, som forskerne forventer at kunne udpege funktionen af 80-90% af alle menneskelige gener.
“Indtil videre har vi sekventeret genomerne af omkring 3.000 mutante zebrafisk og identificeret mutationer i omkring halvdelen af alle protein-kodende gener,” siger Stemple. Vi gør alle disse oplysninger offentligt tilgængelige via centre som Zebrafish International Resource Centre i Oregon og European Zebrafish Resource Centre i Karlsruhe, Tyskland. Vi sender også prøver af frosset sæd fra hver af de mutantstammer af zebrafisk, vi har skabt, til disse centre, så de kan blive arkiveret der. Forskere hvor som helst i verden kan så bede om at bruge denne frosne sæd til at skabe en stamme af zebrafisk med en bestemt mutation. Lægemidler til behandling af sygdomme, der er knyttet til den menneskelige pendant til dette gen, kan derefter afprøves for at finde de mest effektive.
“Vi er ved at udvikle et enormt effektivt værktøj på denne måde, et værktøj, der kan udpege alle vores geners funktioner og hjælpe os med at skabe nye lægemidler, der kan bekæmpe sygdomme, der er knyttet til disse gener. Og det hele sker takket være zebrafisken.”
{{topLeft}}}
{{bottomLeft}}
{{topRight}}
{{bottomRight}}
{{/goalExceededMarkerPercentage}}
{{/ticker}}
{{heading}}
{{#paragraphs}}
{{.}}
{{{/paragraphs}}}{{highlightedText}}
- Del på Facebook
- Del på Twitter
- Del via e-mail
- Del på LinkedIn
- Del på Pinterest
- Del på WhatsApp
- Del på Messenger