Zaczyna się od seksu na plaży. Pary zebr oddzielają się od reszty swojej ławicy i przemieszczają się do coraz płytszej wody, kontynuując wirowanie wokół siebie w szybkich, rzutkich ruchach. Kiedy samica osiągnie grunt znajdujący się zaledwie kilka centymetrów poniżej linii wody, jej bliskość do brzegu wywołuje reakcję biologiczną i składa ona kilkaset jaj. Zostają one natychmiast zapłodnione przez jej partnera. W ciągu kilku dni setki młodych zebr rozwijają się do stadium, w którym mogą polować i jeść ofiary.
Jest to niezwykły spektakl, jeden z bardziej intrygujących rytuałów reprodukcyjnych natury (patrz ramka, strona 32). Jednak kojarzenie się zebr ma implikacje, które wykraczają daleko poza zwykłą biologiczną ciekawość. Jest to ryba, która w ostatnich latach zyskała zdumiewające znaczenie naukowe i która odgrywa obecnie kluczową rolę w odkrywaniu roli wszystkich 20 000 genów w ludzkim ciele. Stworzenie najlepiej znane jako zwierzę akwariowe stało się gwiazdą naukową.
Jest to dramatyczna transformacja. Ale dlaczego do niej doszło? Co jest tak wyjątkowego w tym maleńkim, czarno-białym mieszkańcu azjatyckich strumieni słodkowodnych. I, co ważniejsze, jakie są medyczne sekrety, które pomaga on rozwikłać? Odpowiedź na pierwsze pytanie jest prosta. Gwałtowny wzrost popularności zebry nastąpił, ponieważ spełnia ona prawie każde pole na liście życzeń atrybutów, których naukowcy poszukują, próbując modelować ludzkie choroby.
Na początek, istnieje prosta kwestia liczb. Za każdym razem, gdy zebrafa składa jaja, produkuje setki potomstwa, zapewniając naukowcom wystarczającą ilość celów dla ich badań. Ponadto, zebrafy rosną w zadziwiającym tempie. „Embrion rozwija się tak samo w ciągu jednego dnia, jak ludzki embrion w ciągu miesiąca, a ryba osiąga pełną dorosłość – i maksymalny rozmiar około dwóch cali – w ciągu trzech miesięcy”, mówi badaczka zebry, Elisabeth Busch-Nentwich, w Instytucie Sangera w Cambridgeshire.
Na dobrą sprawę, łatwo jest utrzymać duże ilości zebry w laboratoriach. Dieta z krewetek solankowych i słodkiej wody utrzyma je szczęśliwe przez lata. I wreszcie, i prawdopodobnie najważniejsze, młode zebrafish są prawie całkowicie przezroczyste, krytyczna cecha pozwala naukowcom badać komórki wewnątrz ich ciała, jak rosną i dzielą się. Ten ostatni punkt podkreśla inna badaczka z Sanger, Keren Carss. „Można wprowadzać wszelkiego rodzaju eksperymentalne zmiany w embrionach zebrafish i niemal natychmiast zobaczyć ich fizjologiczne rezultaty. A zmiany te można badać bardzo łatwo, ponieważ zebrafy są niemal przezroczyste. Można zobaczyć, co się dzieje bez dotykania ich, co nie jest możliwe w przypadku innych zwierząt laboratoryjnych, które trzeba zabić, aby móc je badać. To czyni zebrafish bardzo użyteczne dla nauki.”
W rzeczywistości Danio rerio, aby dać im ich naukową nazwę, są nie tyle przydatne dla nowoczesnych badań biologicznych, co niezbędne. W połączeniu z przezroczystością i niezwykłym tempem wzrostu, struktura genetyczna zebrafish jest zaskakująco bliska strukturze Homo sapiens.
W rezultacie naukowcy wykorzystali już rybę do określenia funkcji setek ludzkich genów. „Dzięki ukończeniu Human Genome Project 10 lat temu, odkryliśmy struktury wszystkich około 20 000 genów, które tworzą ludzką konstytucję”, mówi Derek Stemple, szef genetyki myszy i zebrafish w Sanger.
„Ale nie dowiedzieliśmy się, co te geny robią w ludzkim ciele. To jest zadanie, przed którym stoimy dzisiaj. Musimy odkryć, co robią nasze geny, jakie białka wytwarzają i jak ze sobą współdziałają. Dowiedzieliśmy się, co robią niektóre geny, ale rola zdecydowanej większości z nich pozostaje tajemnicą – i tu właśnie pojawia się zebrafika.
„Około 70% naszych genów okazuje się mieć odpowiednik u zebrafiki. Co więcej, jeśli spojrzeć na geny, które wywołują choroby u ludzi, 84% z nich ma analogi u zeberek. Dlatego Wellcome Trust zapłacił tak dużo pieniędzy za badania nad zebrą w Sanger Institute.”
Sukcesy osiągnięte dzięki porównaniu genomów człowieka i zebry obejmują odkrycia kilku wcześniej nieznanych genów, które są zaangażowane w rzadkie formy dystrofii mięśniowej; ścieżek genetycznych zaangażowanych w rozwój ludzkich embrionów i fizjologię serca; oraz leków, które są obecnie testowane jako przyszłe metody leczenia raka skóry. Praca dr Tima Chico, kardiologa konsultanta na Uniwersytecie w Sheffield, stanowi kolejny przykład. „Te same ścieżki i geny, które stworzyły moje i Twoje serce, są odpowiedzialne za włączanie rozwoju serca u zeberek” – zauważa Chico. I to podobieństwo ma bardzo ważne implikacje, dodaje.
„Mamy bibliotekę wielu tysięcy związków, które mogą być następnym najlepszym lekiem na choroby serca. Dzięki zebrafish możemy je bardzo szybko przesiać, aby zobaczyć, czy związki mają efekt. Możemy wyłączyć geny i zobaczyć, jak zebrafa odrasta naczynia, aby naprawić szkody. Gdybyśmy mogli włączyć odpowiednie geny u ludzi, moglibyśmy żyć dłużej i lepiej przeżywać po ataku serca.”
Te projekty wyjaśniają, dlaczego zebrafa stała się tak popularnym zwierzęciem wśród naukowców. Ale dokładnie jak badacze obracają informacje od stworzenia, które ostatnio dzieliło wspólnego przodka z ludzkością około 300m lat temu? Odpowiedzi udziela Stemple. Naukowiec siedzi w biurze wypełnionym rowerami, kaskami i różnymi porzuconymi ubraniami. Jego pokój wychodzi na rozległy plac budowy na skraju Cambridgeshire’s Genome Campus, gdzie powstaje nowe centrum dla Europejskiego Instytutu Bioinformatyki, który dzieli teren z Instytutem Sangera. Po raz pierwszy opracowany w ubiegłym wieku, Genome Campus jest w centrum intensywnej ekspansji od tego czasu, napędzany przez niezwykły boom w technologii genów.
Naukowcy zajęło lata, i spędził miliardy funtów, do sekwencji bardzo pierwszy ludzki genom. Dziś to zadanie można wykonać za kilka tysięcy funtów i zajmuje to tylko kilka godzin. Tryliony bitów danych wylewa się teraz codziennie z automatycznych sekwencerów genów w Instytucie Sangera, gdy naukowcy badają struktury genetyczne pacjentów, zwierząt – w tym ryb zebrafish – i komórek nowotworowych, lawiny danych, które są kontrolowane z zestawu potężnych komputerów, które mają swój własny, imponująco duży budynek. „Bioinformatyka to nauka przyszłości”, mówi Stemple. „To napędza naszą pracę tutaj i napędza nasze badania na zebrafish.”
Bycie w stanie analizować ogromne kawałki danych jest ważne w użyciu zebrafish do tease out tajemnice ludzkich genów. Podstawowe procedury stosowane do generowania tych informacji są oparte na bardziej tradycyjnych podejściach do badań genetycznych, jednak. „To, co robimy, to generowanie mutacji” – mówi Stemple. „Traktujemy samce zebrafish chemikaliami i to tworzy mutacje w ich genach.”
Geny są odpowiedzialne za kierowanie produkcją białek w ciałach wszystkich zwierząt. Więc mutacja w genie zaburzy białko, które on wytwarza. Na przykład, może produkować białko, które jest przecięte na pół. Sztuką dla badaczy jest powiązanie konkretnej mutacji w genie ze zmianą w wyglądzie lub zachowaniu zebrafy, połączenie, które doprowadzi ich do odkrycia białka, które jest zwykle wytwarzane przez ten gen.
„Naszym celem jest poznanie funkcji genu, kiedy nie został zmutowany, kiedy jest w normalnym stanie”, dodaje Busch-Nentwich. „Ponieważ zebrafish mają tak wiele bliskich odpowiedników genów Homo sapiens, to powie nam to również o funkcji ludzkiego genu.”
Aby tego dokonać, badacze – po stworzeniu swoich zmutowanych samców zebrafish – rozmnażają je z nieleczonymi, normalnymi samicami zebrafish. Mutacje samców są następnie przekazywane do nowego pokolenia zeberek. To pierwsze pokolenie ryb jest następnie krzyżowane w celu stworzenia drugiego pokolenia, w którym niektóre ryby posiadają dwie kopie tego samego zmutowanego genu – jedną od matki, jedną od ojca – i który będzie wyraźnie manifestował się w fizjologii młodych ryb.
„Sekwencjonujemy również genomy ryb, które hodujemy”, dodaje Stemple. „Następnie przyglądamy się rybom w naszym ostatnim pokoleniu i badamy te, które mają nietypowe cechy. Na przykład, niedawno znaleźliśmy jedną rodzinę zebr, stworzoną dzięki naszym badaniom mutacji, która całkowicie pozbawiona była pigmentacji.
„Mogliśmy również zobaczyć na podstawie naszej analizy genomu, że posiadała ona mutację w genie zwanym slc22a7b. Istniał wyraźny związek wskazujący, że ten gen jest zaangażowany w pigmentację. Więcej do punktu, jest ludzki odpowiednik tego genu, który teraz wierzymy jest odpowiedzialny za kodowanie genów, które są zaangażowane w pigmentacji u ludzi.”
Inny przykład wartości zebrafish do medycyny jest dostarczany przez badania prowadzone przez Carss w Sanger. Pracuje ona nad formą dystrofii mięśniowej znanej jako dystroglikanopatia, która zazwyczaj występuje u niemowląt i małych dzieci i powoduje osłabienie i utratę ruchu. Wykorzystując zebrafish, Carss odkryła, że mutacje w genach B3galnt2 i GmppB spowodowały powstanie embrionów, które były małe i wygięte w porównaniu ze zdrowymi embrionami.
„Embriony zebrafish z zaburzonymi genami mają strukturalne i funkcjonalne defekty, które naśladują objawy dzieci z dystroglikanopatią”, dodaje Carss. „Jest to bardzo mocny dowód na to, że mutacje, które znaleźliśmy w B3galnt2 i GmppB powodują dystroglikopatię u dzieci. Wiedza o tym, że te geny są zaangażowane, daje nam wskazówki, jakie leczenie moglibyśmy zastosować u tych dzieci”. Na dobrą sprawę, embriony zeberek mogłyby być wykorzystane do testowania tych terapii.”
Zainteresowanie badaniami nad zeberkami podziela również Leonard Zon, profesor medycyny dziecięcej w Boston Children’s Hospital, będącym częścią Harvard Medical School. „Zebrafish jest fantastycznym systemem biologicznym”, mówi. „Ich embriony mogą wchłaniać substancje chemiczne, które zostały dodane do ich wody. Więc łatwo jest wywołać mutacje w ich genach.”
W jednym zestawie eksperymentów przeprowadzonych przez jego zespół, Zon dodał różne leki do embrionów zeberek i odkrył jeden, zwany prostaglandyną E2, który zwiększył ich poziom komórek macierzystych krwi – i przez wnioskowanie poziom komórek macierzystych krwi u ludzi. Komórki te, które są wykonane w naszym szpiku kostnym, są prekursorami wszystkich rodzajów komórek, które tworzą naszą krew, w tym białych krwinek, które tworzą nasz system odpornościowy.
Odkrycie może być znaczące, mówi Zon, ponieważ może być stosowany do wzmocnienia przeszczepów komórek macierzystych dla pacjentów, w szczególności tych cierpiących na nowotwory. „Szpik kostny jest niszczony podczas chemioterapii i musi być zastąpiony u pacjentów po zakończeniu leczenia. Jeśli pacjent nie ma krewnego, którego szpik kostny odpowiada jego szpikowi, lekarz wykorzystuje komórki macierzyste krwi pobrane z pępowiny. Obecnie są one rutynowo przechowywane w bankach pępowiny. Transfuzje krwi pępowinowej mogą przywrócić system odpornościowy pacjenta. Jednakże, pępowiny te zawierają tylko kilka komórek i musimy znaleźć sposób na szybkie zwiększenie liczby komórek macierzystych krwi, gdy pacjenci są osłabieni immunologicznie. Prostaglandyna E2 – którą zidentyfikowaliśmy dzięki naszej pracy na zebrafish – sugeruje nam sposób, w jaki możemy to zrobić.”
Ten pomysł został już poparty przez wczesne eksperymenty na zebrafish i myszach. Zon i jego zespół wziął szpik kostny z myszy i potraktował niektóre z prostaglandyną. Część pozostawiono bez leczenia. Następnie naukowcy zwrócili szpik kostny myszom. Szpik leczony prostaglandyną przywrócił myszom układ krwionośny i odpornościowy znacznie szybciej niż wersja nieleczona.
Ta praca na zwierzętach została teraz powtórzona w badaniu klinicznym fazy pierwszej u ludzi, dodał Zon. U pacjentów z białaczką, którzy przeszli chemioterapię, stwierdzono, że transfuzje krwi pępowinowej, które były traktowane prostaglandyną, przywróciły białe krwinki i płytki krwi kilka dni wcześniej w porównaniu z pacjentami, którzy nie mieli prostaglandyny dodanej do ich transfuzji krwi pępowinowej. „Jest to bardzo obiecujący postęp”, dodaje Zon.
Instytut Sangera ma fundusze na badanie 8000 zestawów zmutowanych zmutowanych zebrafish, z których naukowcy spodziewają się określić funkcję 80-90% wszystkich ludzkich genów.
„Do tej pory zsekwencjonowaliśmy genomy około 3000 zmutowanych zebrafish i zidentyfikowaliśmy mutacje w około połowie wszystkich genów kodujących białka”, mówi Stemple. Wszystkie te informacje udostępniamy publicznie za pośrednictwem takich ośrodków, jak Zebrafish International Resource Centre w Oregonie oraz European Zebrafish Resource Centre w Karlsruhe w Niemczech. Wysyłamy również do tych ośrodków próbki zamrożonej spermy z każdego ze zmutowanych szczepów zebrafish, które stworzyliśmy, aby można je było tam zarchiwizować. Naukowcy z całego świata mogą następnie poprosić o wykorzystanie tej zamrożonej spermy do stworzenia szczepu zebrafish z konkretną mutacją. Leki, które mogłyby leczyć choroby związane z ludzkim odpowiednikiem tego genu, mogą być następnie testowane w celu znalezienia najskuteczniejszych.
„Rozwijamy w ten sposób niezwykle potężne narzędzie, takie, które wskaże funkcje naszych wszystkich genów i pomoże nam stworzyć nowe leki, które mogą zwalczać choroby związane z tymi genami. A wszystko to dzieje się dzięki zebrafish.”
{{topLeft}}
{{bottomLeft}}
{{topRight}}
{{bottomRight}}
.
{{/goalExceededMarkerPercentage}}
{{/ticker}}
{{heading}}
{{#paragraphs}}
{{.}}
{{/paragraphs}}{{highlightedText}}
- Share on Facebook
- Share on Twitter
- Share via Email
- Share on LinkedIn
- Share on Pinterest
- Share on WhatsApp
- Share on Messenger
.