Inizia con il sesso sulla spiaggia. Le coppie di pesci zebra si separano dal resto del loro branco e si spostano in acque sempre meno profonde, continuando a cavalcare l’uno intorno all’altro con movimenti rapidi e guizzanti. Quando la femmina raggiunge un terreno che è solo un paio di centimetri sotto la linea di galleggiamento, una risposta biologica è innescata dalla sua vicinanza alla riva e lei depone una frizione di diverse centinaia di uova. Queste vengono prontamente fecondate dal suo compagno. In pochi giorni, centinaia di giovani pesci zebra si sono sviluppati fino a raggiungere uno stadio in cui possono cacciare e mangiare le prede.
È una performance notevole, uno dei rituali di riproduzione più intriganti della natura (vedi box, pagina 32). Eppure l’accoppiamento dei pesci zebra ha implicazioni che vanno ben oltre la semplice curiosità biologica. Si tratta di un pesce che ha acquisito una sorprendente importanza scientifica negli ultimi anni e che ora sta giocando un ruolo chiave nel dipanare i ruoli di tutti i 20.000 geni all’interno del corpo umano. Una creatura meglio conosciuta come animale da acquario è diventata una star scientifica.
È una trasformazione drammatica. Ma perché è avvenuta? Cosa c’è di così speciale in questo piccolo abitante bianco e nero dei corsi d’acqua dolce asiatici? E, ancora più importante, quali sono i segreti medici che sta aiutando a svelare? La risposta alla prima domanda è semplice. L’impennata di popolarità del pesce zebra è dovuta al fatto che soddisfa praticamente tutte le caselle di una lista di attributi che gli scienziati cercano quando cercano di modellare le malattie umane.
Per cominciare, c’è la semplice questione dei numeri. Ogni volta che un pesce zebra depone le uova, produce centinaia di figli, fornendo agli scienziati un’ampia fornitura di obiettivi per la loro ricerca. Inoltre, i pesci zebra crescono ad un ritmo sorprendente. “Un embrione si sviluppa in un giorno tanto quanto un embrione umano in un mese e un pesce raggiunge la piena età adulta – e la sua dimensione massima di circa due pollici – entro tre mesi”, dice la ricercatrice di zebrafish, Elisabeth Busch-Nentwich, al Sanger Institute in Cambridgeshire.
Per buona misura, è facile mantenere un gran numero di zebrafish in laboratorio. Una dieta a base di gamberetti in salamoia e acqua fresca li manterrà felici per anni. E infine, e probabilmente la cosa più importante, i giovani pesci zebra sono quasi completamente trasparenti, una caratteristica critica che permette ai ricercatori di studiare le cellule all’interno dei loro corpi mentre crescono e si dividono. Quest’ultimo punto è sottolineato da un altro ricercatore del Sanger, Keren Carss. “Si possono fare tutti i tipi di cambiamenti sperimentali agli embrioni di zebrafish e vedere i risultati fisiologici quasi immediatamente. E si possono studiare questi cambiamenti molto facilmente a causa della quasi trasparenza del pesce zebra. Si può vedere cosa sta succedendo senza toccarli e questo non è qualcosa che si può fare con altri animali da laboratorio, che devono essere uccisi per essere studiati. Questo rende il pesce zebra molto utile alla scienza”
In effetti, il Danio rerio, per dargli il nome scientifico, non è tanto utile alla moderna ricerca biologica quanto indispensabile. In combinazione con la sua trasparenza e il suo notevole tasso di crescita, la struttura genetica del pesce zebra è sorprendentemente vicina a quella dell’Homo sapiens.
Come risultato, gli scienziati hanno già utilizzato il pesce per individuare le funzioni di centinaia di geni umani. “Grazie al completamento del Progetto Genoma Umano 10 anni fa, abbiamo scoperto le strutture di tutti i circa 20.000 geni che compongono la costituzione umana”, dice Derek Stemple, capo della genetica dei topi e degli zebrafish al Sanger.
“Ma non abbiamo imparato cosa fanno questi geni nel corpo umano. Questo è il compito che dobbiamo affrontare oggi. Dobbiamo scoprire cosa fanno i nostri geni, quali proteine producono e come interagiscono. Abbiamo imparato cosa fanno alcuni geni, ma i ruoli della stragrande maggioranza rimangono un mistero – ed è qui che entra in gioco il pesce zebra.
“Circa il 70% dei nostri geni risulta avere una controparte nel pesce zebra. Più precisamente, se si guarda ai geni che causano malattie nell’uomo, l’84% di questi ha analoghi del pesce zebra. Questo è il motivo per cui il Wellcome Trust ha pagato così tanti soldi per studiare il pesce zebra al Sanger Institute.”
I successi ottenuti confrontando i genomi umani e del pesce zebra includono la scoperta di diversi geni precedentemente sconosciuti che sono coinvolti in forme rare di distrofia muscolare; di percorsi genetici coinvolti nello sviluppo dell’embrione umano e nella fisiologia del cuore; e di farmaci che sono ora in fase di test come futuri trattamenti per il cancro della pelle. Il lavoro del dottor Tim Chico, consulente cardiologo presso l’Università di Sheffield, fornisce un altro esempio. “Gli stessi percorsi e geni che hanno fatto il mio cuore e il tuo cuore sono responsabili dell’accensione dello sviluppo del cuore nello zebrafish”, sottolinea Chico. E questa somiglianza ha implicazioni molto importanti, aggiunge.
“Abbiamo una libreria di molte migliaia di composti che potrebbero essere il prossimo miglior farmaco per le malattie cardiache. Con lo zebrafish possiamo molto rapidamente controllarli per vedere se i composti hanno un effetto. Possiamo spegnere i geni e vedere come il pesce zebra ricresce i vasi per riparare i danni. Se potessimo accendere i geni giusti negli esseri umani, allora potremmo vivere più a lungo e sopravvivere meglio dopo un attacco di cuore.”
Questi progetti spiegano perché il pesce zebra è diventato un animale così importante per gli scienziati. Ma esattamente come fanno i ricercatori a trasformare le informazioni da una creatura che ha condiviso l’ultimo antenato comune con l’umanità circa 300m anni fa? La risposta è fornita da Stemple. Il ricercatore è seduto in un ufficio pieno di biciclette, caschi e vari articoli di abbigliamento scartati. La sua stanza si affaccia su un vasto cantiere ai margini del Genome Campus del Cambridgeshire, dove si sta costruendo un nuovo centro per l’Istituto Europeo di Bioinformatica, che condivide il sito con l’Istituto Sanger. Sviluppato per la prima volta nel secolo scorso, il Genome Campus è stato da allora al centro di un’intensa espansione, guidata dal notevole boom dell’ingegneria genetica.
Gli scienziati hanno impiegato anni, e speso miliardi di sterline, per sequenziare il primo genoma umano. Oggi, quel compito può essere fatto per poche migliaia di sterline e richiede solo poche ore. Trilioni di bit di dati ora si riversano quotidianamente dai sequenziatori genetici automatizzati del Sanger Institute, mentre i suoi ricercatori sondano le strutture genetiche di pazienti, animali – tra cui zebrafish – e cellule tumorali, una valanga di dati che è controllata da un insieme di potenti computer che hanno il loro edificio, impressionantemente grande. “La bioinformatica è la scienza del futuro”, dice Stemple. “Guida il nostro lavoro qui e guida la nostra ricerca sul pesce zebra”.
Essere in grado di analizzare grandi quantità di dati è importante nell’uso del pesce zebra per scoprire i segreti dei geni umani. Le procedure di base impiegate per generare queste informazioni sono basate su approcci più tradizionali alla ricerca genetica, tuttavia. “Quello che facciamo è generare mutazioni”, dice Stemple. “Trattiamo i maschi di zebrafish con sostanze chimiche e questo crea mutazioni nei loro geni”
I geni sono responsabili di dirigere la produzione di proteine nel corpo di tutti gli animali. Quindi una mutazione in un gene interromperà la proteina che produce. Per esempio, potrebbe produrre una proteina che è tagliata a metà. Il trucco per i ricercatori è quello di collegare una mutazione specifica in un gene con un cambiamento nell’aspetto o nel comportamento del pesce zebra, una connessione che li porterà a scoprire la proteina che di solito è fatta da quel gene.
“Il nostro obiettivo è quello di scoprire la funzione di un gene quando non è stato mutato, quando è nel suo stato normale”, aggiunge Busch-Nentwich. “Poiché gli zebrafish hanno così tante controparti vicine ai geni dell’Homo sapiens, questo ci dirà anche la funzione del gene umano”.”
Per fare questo, i ricercatori – una volta che hanno creato i loro maschi di zebrafish mutati – li allevano con femmine di zebrafish non trattate, normali. Le mutazioni dei maschi vengono quindi trasmesse a una nuova generazione di zebrafish. Questa prima generazione di pesci viene poi incrociata per creare una seconda generazione in cui alcuni pesci possiedono due copie dello stesso gene mutato – una dalle loro madri, una dai loro padri – e che si manifesterà chiaramente nella fisiologia dei giovani pesci.
“Abbiamo anche sequenziare i genomi dei pesci che stiamo allevando”, aggiunge Stemple. “Poi guardiamo i pesci della nostra generazione finale ed esaminiamo quelli con caratteristiche insolite. Per esempio, abbiamo recentemente trovato una famiglia di zebrafish, creata attraverso la nostra ricerca sulle mutazioni, che mancava completamente di pigmentazione.
“Abbiamo anche potuto vedere dalla nostra analisi del genoma che possedeva una mutazione in un gene chiamato slc22a7b. C’era un chiaro legame che indicava che questo gene è coinvolto nella pigmentazione. Più precisamente, c’è un equivalente umano di quel gene che ora crediamo sia responsabile della codifica dei geni che sono coinvolti nella pigmentazione negli esseri umani.”
Un altro esempio del valore del pesce zebra per la medicina è fornito dalla ricerca effettuata da Carss al Sanger. Lavora su una forma di distrofia muscolare conosciuta come distroglicanopatia, che si trova generalmente nei neonati e nei bambini piccoli e causa debolezza e perdita di movimento. Usando il pesce zebra, Carss ha scoperto che le mutazioni nei geni B3galnt2 e GmppB producevano embrioni che erano piccoli e piegati rispetto agli embrioni sani.
“Gli embrioni di pesce zebra con i geni interrotti hanno difetti strutturali e funzionali che imitano i sintomi dei bambini con distroglicanopatia”, aggiunge Carss. “È una prova molto forte che le mutazioni che abbiamo trovato in B3galnt2 e GmppB causano distroglicanopatia nei bambini. Sapere che questi geni sono coinvolti ci dà indizi su quali trattamenti potremmo essere in grado di dare a questi bambini”. Per buona misura, gli embrioni di pesce zebra potrebbero essere utilizzati per testare questi trattamenti.”
L’entusiasmo per la ricerca sul pesce zebra è condiviso anche da Leonard Zon, professore di medicina pediatrica, al Boston Children’s Hospital, parte della Harvard Medical School. “Il pesce zebra è un sistema biologico fantastico”, dice. “I loro embrioni possono assorbire le sostanze chimiche che hai aggiunto alla loro acqua. Quindi è facile indurre mutazioni nei loro geni.”
In una serie di esperimenti condotti dal suo team, Zon ha aggiunto vari farmaci agli embrioni di pesce zebra e ne ha scoperto uno, chiamato prostaglandina E2, che ha aumentato i loro livelli di cellule staminali del sangue – e di conseguenza i livelli di cellule staminali del sangue negli esseri umani. Queste cellule, che sono prodotte nel nostro midollo osseo, sono i precursori di tutti i tipi di cellule che compongono il nostro sangue, compresi i globuli bianchi che formano il nostro sistema immunitario.
La scoperta potrebbe essere significativa, dice Zon, perché potrebbe essere utilizzata per migliorare i trapianti di cellule staminali per i pazienti, in particolare quelli affetti da tumori. “Il midollo osseo viene distrutto durante la chemioterapia e deve essere sostituito nei pazienti una volta che il loro trattamento è finito. Se un paziente non ha un parente il cui midollo osseo corrisponde al suo, il medico userà le cellule staminali del sangue prese dal cordone ombelicale. Queste sono oggi conservate di routine nelle banche del cordone ombelicale. Le trasfusioni di sangue del cordone ombelicale possono ripristinare il sistema immunitario dei pazienti. Tuttavia, questi cordoni contengono solo poche cellule e dobbiamo trovare il modo di aumentare rapidamente il numero di cellule staminali del sangue mentre i pazienti sono immunodepressi. La prostaglandina E2 – che abbiamo individuato grazie al nostro lavoro sugli zebrafish – ci suggerisce un modo per farlo.”
Questa idea è già stata sostenuta dai primi esperimenti su zebrafish e topi. Zon e il suo team hanno prelevato il midollo osseo dai topi e ne hanno trattato alcuni con la prostaglandina. Una parte è stata lasciata non trattata. Poi gli scienziati hanno restituito il midollo osseo ai topi. Il midollo trattato con la prostaglandina ha ripristinato il sangue e il sistema immunitario dei topi molto più rapidamente della versione non trattata.
Questo lavoro sugli animali è stato ora ripetuto in uno studio clinico di fase uno sugli esseri umani, ha aggiunto Zon. In pazienti affetti da leucemia sottoposti a chemioterapia, si è scoperto che le trasfusioni di sangue del cordone ombelicale trattate con prostaglandina ripristinavano i globuli bianchi e le piastrine diversi giorni prima rispetto ai pazienti che non avevano aggiunto prostaglandina alle loro trasfusioni di sangue del cordone. “È uno sviluppo molto promettente”, aggiunge Zon.
Il Sanger Institute ha finanziamenti per studiare 8.000 serie di zebrafish mutanti incrociati da cui i suoi scienziati si aspettano di individuare la funzione dell’80-90% di tutti i geni umani.
“Finora, abbiamo sequenziato i genomi di circa 3.000 zebrafish mutanti e identificato mutazioni in circa la metà dei geni codificanti le proteine”, dice Stemple. Rendiamo tutte queste informazioni disponibili al pubblico attraverso centri come lo Zebrafish International Resource Centre in Oregon e lo European Zebrafish Resource Centre a Karlsruhe, in Germania. Inviamo anche campioni di sperma congelato da ciascuno dei ceppi mutanti di zebrafish che abbiamo creato a questi centri in modo che possano essere archiviati lì. Gli scienziati di tutto il mondo possono quindi chiedere di usare questo sperma congelato per creare un ceppo di pesce zebra con una particolare mutazione. I farmaci che potrebbero trattare le malattie legate all’equivalente umano di questo gene possono poi essere testati per trovare il più efficace.
“Stiamo sviluppando uno strumento enormemente potente in questo modo, uno che individuerà le funzioni di tutti i nostri geni e ci aiuterà a creare nuovi farmaci che possono affrontare le malattie legate a questi geni. E tutto questo sta accadendo grazie al pesce zebra.”
{{topLeft}}
{{bottomLeft}}
{{topRight}}
{{bottomRight}}
{{/goalExceededMarkerPercentage}}
{{/ticker}}
{{heading}}
{{#paragraphs}}
{{.}}}
{{{/paragrafi}}{{highlightedText}}
- Condividi su Facebook
- Condividi su Twitter
- Condividi via Email
- Condividi su LinkedIn
- Condividi su Pinterest
- Condividi su WhatsApp
- Condividi su Messenger