Cum micuțul pește zebră are un mare impact asupra cercetării medicale

A început cu sex pe plajă. Perechile de pești zebră se separă de restul bancului lor și se mută în apă din ce în ce mai puțin adâncă, continuând să se învârtă unul în jurul celuilalt în mișcări rapide și săltărețe. Atunci când femela ajunge la o adâncime de doar câțiva centimetri sub linia de plutire, apropierea de țărm declanșează un răspuns biologic și ea depune un cuib de câteva sute de ouă. Acestea sunt imediat fertilizate de partenerul ei. În câteva zile, sute de pui de pește zebră s-au dezvoltat până la un stadiu în care pot vâna și mânca prada.

Este o performanță remarcabilă, unul dintre cele mai intrigante ritualuri de reproducere din natură (vezi caseta, pagina 32). Cu toate acestea, împerecherea peștilor zebră are implicații care merg mult dincolo de simpla curiozitate biologică. Acesta este un pește care a căpătat o importanță științifică surprinzătoare în ultimii ani și care joacă acum un rol cheie în deslușirea rolurilor tuturor celor 20.000 de gene din interiorul corpului uman. O creatură cunoscută cel mai bine ca animal de companie de acvariu a devenit o vedetă științifică.

Este o transformare dramatică. Dar de ce a avut loc? Ce este atât de special la acest micuț locuitor alb-negru al cursurilor de apă dulce din Asia. Și, mai important, care sunt secretele medicale pe care ajută la deslușirea lor? Răspunsul la prima întrebare este simplu. Popularitatea crescândă a peștelui zebră a apărut pentru că bifează aproape toate căsuțele de pe o listă de atribute pe care oamenii de știință le caută atunci când încearcă să modeleze bolile umane.

Pentru început, există simpla problemă a numărului. De fiecare dată când o peștișoară zebră își depune ouăle, ea produce sute de pui, oferind oamenilor de știință o ofertă amplă de ținte pentru cercetările lor. În plus, peștele zebră crește într-un ritm uimitor. „Un embrion se va dezvolta într-o zi la fel de mult ca un embrion uman într-o lună, iar un pește ajunge la vârsta adultă – și la dimensiunea sa maximă de aproximativ 5 cm – în trei luni”, spune cercetătoarea în domeniul peștilor zebră, Elisabeth Busch-Nentwich, de la Institutul Sanger din Cambridgeshire.

Pentru o bună măsură, este ușor de menținut un număr mare de pești zebră în laboratoare. O dietă de creveți de saramură și apă proaspătă îi va menține fericiți ani de zile. Și în cele din urmă, și probabil cel mai important, peștii zebră tineri sunt aproape complet transparenți, o caracteristică esențială pentru că permite cercetătorilor să studieze celulele din interiorul corpului lor pe măsură ce cresc și se divid. Acest ultim aspect este subliniat de un alt cercetător Sanger, Keren Carss. „Puteți face tot felul de modificări experimentale la embrionii de pește zebră și puteți vedea rezultatele fiziologice aproape imediat. Și poți studia aceste modificări foarte ușor datorită aproape transparenței peștelui zebră. Poți vedea ce se întâmplă fără să le atingi, iar acest lucru nu se poate face cu alte animale de laborator, care trebuie ucise pentru a fi studiate. Acest lucru face ca peștele zebră să fie foarte util pentru știință.”

De fapt, Danio rerio, pentru a le da numele științific, nu sunt atât de utile pentru cercetarea biologică modernă, cât indispensabile. În combinație cu transparența sa și cu rata sa remarcabilă de creștere, structura genetică a peștelui zebră este surprinzător de apropiată de cea a lui Homo sapiens.

Ca urmare, oamenii de știință au folosit deja peștele pentru a identifica funcțiile a sute de gene umane. „Datorită finalizării Proiectului Genomului Uman în urmă cu 10 ani, am descoperit structurile tuturor celor aproximativ 20.000 de gene care alcătuiesc constituția umană”, spune Derek Stemple, șeful departamentului de genetică a șoarecilor și a peștilor zebră de la Sanger.

„Dar nu am aflat ce fac aceste gene în interiorul corpului uman. Aceasta este sarcina cu care ne confruntăm astăzi. Trebuie să descoperim ce fac genele noastre, ce proteine produc și cum interacționează ele. Am aflat ce fac unele gene, dar rolurile marii majorități rămân un mister – și aici intervine peștele zebră.

„Aproximativ 70% dintre genele noastre se pare că au un corespondent în peștele zebră. Mai exact, dacă vă uitați la genele care provoacă boli la om, 84% dintre acestea au analogii la peștele zebră. Acesta este motivul pentru care Wellcome Trust a plătit atât de mulți bani pentru a studia peștele zebră la Institutul Sanger.”

Succesele obținute prin compararea genomului uman cu cel al peștelui zebră includ descoperirea mai multor gene necunoscute anterior care sunt implicate în forme rare de distrofie musculară; a căilor genetice implicate în dezvoltarea embrionului uman și în fiziologia inimii; și a medicamentelor care sunt acum testate ca viitoare tratamente pentru cancerul de piele. Activitatea doctorului Tim Chico, cardiolog consultant la Universitatea din Sheffield, oferă un alt exemplu. „Aceleași căi și gene care au creat inima mea și inima dumneavoastră sunt responsabile pentru activarea dezvoltării inimii la peștii zebră”, subliniază Chico. Iar această similitudine are implicații foarte importante, adaugă el.

„Avem o bibliotecă de multe mii de compuși care ar putea fi următorul cel mai bun medicament pentru bolile de inimă. Cu ajutorul peștelui zebră putem foarte rapid să le verificăm pentru a vedea dacă compușii au un efect. Putem dezactiva genele și să vedem cum peștele zebră reîngrămădește vasele pentru a repara daunele. Dacă am putea activa genele potrivite la oameni, atunci am putea trăi mai mult și am putea supraviețui mai bine după un atac de cord.”

Aceste proiecte explică de ce peștele zebră a devenit un animal atât de important pentru oamenii de știință. Dar cum anume transformă cercetătorii informațiile de la o creatură care a împărțit ultima dată un strămoș comun cu omenirea acum aproximativ 300 de milioane de ani? Răspunsul este oferit de Stemple. Cercetătorul se află într-un birou plin de biciclete, căști de protecție și diverse articole de îmbrăcăminte aruncate. Camera sa are vedere spre un vast șantier de construcții la marginea Campusului Genomului din Cambridgeshire, unde se construiește un nou centru pentru Institutul European de Bioinformatică, care împarte locul cu Institutul Sanger. Dezvoltat pentru prima dată în secolul trecut, Campusul Genomului a fost de atunci în centrul unei expansiuni intense, determinată de boom-ul remarcabil al tehnologiei genetice.

Științii au avut nevoie de ani de zile și au cheltuit miliarde de lire sterline pentru a secvenția primul genom uman. Astăzi, această sarcină poate fi realizată pentru câteva mii de lire sterline și durează doar câteva ore. În prezent, trilioane de biți de date se revarsă zilnic de la secvențiatoarele automate de gene de la Institutul Sanger, în timp ce cercetătorii săi sondează structurile genetice ale pacienților, animalelor – inclusiv ale peștilor zebră – și ale celulelor tumorale, o avalanșă de date care este controlată de un set de computere puternice care au propria lor clădire, impresionant de mare. „Bioinformatica este știința viitorului”, spune Stemple. „Ea conduce munca noastră aici și conduce cercetările noastre asupra peștelui zebră.”

Capacitatea de a analiza mari cantități de date este importantă în utilizarea peștelui zebră pentru a desluși secretele genelor umane. Cu toate acestea, procedurile de bază utilizate pentru a genera aceste informații se bazează pe abordări mai tradiționale ale cercetării genetice. „Ceea ce facem noi este să generăm mutații”, spune Stemple. „Tratăm peștii zebră masculi cu substanțe chimice și asta creează mutații în genele lor.”

Genele sunt responsabile pentru dirijarea fabricării proteinelor în corpul tuturor animalelor. Așadar, o mutație într-o genă va perturba proteina pe care aceasta o produce. De exemplu, aceasta ar putea fabrica o proteină care este tăiată în două. Trucul pentru cercetători este de a lega o mutație specifică într-o genă de o schimbare în aspectul sau comportamentul peștilor zebră, o legătură care îi va conduce la descoperirea proteinei care este de obicei fabricată de acea genă.

„Scopul nostru este de a afla funcția unei gene atunci când nu a suferit o mutație, când este în starea sa normală”, adaugă Busch-Nentwich. „Deoarece peștele zebră are atât de mulți omologi apropiați de genele lui Homo sapiens, acest lucru ne va spune, de asemenea, funcția genei umane.”

Pentru a face acest lucru, cercetătorii – odată ce au creat masculii lor de pește zebră mutați – îi înmulțesc cu femele de pește zebră normale, netratate. Mutațiile masculilor sunt apoi transmise la o nouă generație de pești zebră. Această primă generație de pești este apoi încrucișată pentru a crea o a doua generație în care unii pești posedă două copii ale aceleiași gene mutante – una de la mamele lor, una de la tații lor – și care se va manifesta în mod clar în fiziologia peștilor tineri.

„De asemenea, secvențiem genomurile peștilor pe care îi creștem”, adaugă Stemple. „Apoi ne uităm la peștii din generația noastră finală și îi examinăm pe cei cu caracteristici neobișnuite. De exemplu, am găsit recent o familie de pești zebră, creată prin cercetarea noastră privind mutațiile, care era complet lipsită de pigmentare.

„Am putut vedea, de asemenea, din analiza genomului nostru, că poseda o mutație într-o genă numită slc22a7b. A existat o legătură clară care indica faptul că această genă este implicată în pigmentare. Mai exact, există un echivalent uman al acelei gene despre care credem acum că este responsabilă pentru codificarea genelor care sunt implicate în pigmentare la om.”

Un alt exemplu al valorii peștelui zebră pentru medicină este oferit de cercetările efectuate de Carss la Sanger. Ea lucrează la o formă de distrofie musculară cunoscută sub numele de distroglicanopatie, care se întâlnește în general la bebeluși și copii mici și care provoacă slăbiciune și pierderea mișcărilor. Folosind pești zebră, Carss a descoperit că mutațiile în genele B3galnt2 și GmppB au produs embrioni care erau mici și îndoiți în comparație cu embrionii sănătoși.

„Embrionii de pești zebră cu genele perturbate au defecte structurale și funcționale care imită simptomele copiilor cu distroglicanopatie”, adaugă Carss. „Este o dovadă foarte puternică că mutațiile pe care le-am găsit în B3galnt2 și GmppB cauzează distroglicanopatia la copii. Faptul că știm că aceste gene sunt implicate ne oferă indicii cu privire la tratamentele pe care am putea să le oferim acestor copii. Ca o măsură bună, embrionii de pești zebră ar putea fi folosiți pentru a testa aceste tratamente.”

Entuziasmul pentru cercetarea peștilor zebră este împărtășit și de Leonard Zon, profesor de medicină pediatrică, la Spitalul de Copii din Boston, care face parte din Școala Medicală Harvard. „Peștele zebră este un sistem biologic fantastic”, spune el. „Embrionii lor pot absorbi substanțele chimice pe care le-ați adăugat în apa lor. Așa că este ușor să induci mutații în genele lor.”

Într-un set de experimente efectuate de echipa sa, Zon a adăugat diverse medicamente la embrionii de pești zebră și a descoperit unul, numit prostaglandină E2, care a crescut nivelul lor de celule stem din sânge – și, prin deducție, nivelul de celule stem din sânge la oameni. Aceste celule, care sunt produse în măduva noastră osoasă, sunt precursorii tuturor tipurilor de celule care alcătuiesc sângele nostru, inclusiv celulele albe care formează sistemul nostru imunitar.

Descoperirea ar putea fi semnificativă, spune Zon, deoarece ar putea fi folosită pentru a îmbunătăți transplanturile de celule stem pentru pacienți, în special pentru cei care suferă de cancer. „Măduva osoasă este distrusă în timpul chimioterapiei și trebuie să fie înlocuită la pacienți odată ce tratamentul lor s-a încheiat. Dacă un pacient nu are o rudă a cărei măduvă osoasă se potrivește cu a sa, medicul va folosi celule stem din sânge prelevate din cordonul ombilical. Acestea sunt stocate în mod obișnuit în bănci de cordonul ombilical în prezent. Transfuzii de sânge din cordonul ombilical pot reface sistemul imunitar al pacienților. Cu toate acestea, aceste cordoane conțin doar câteva celule și trebuie să găsim modalități de a crește rapid numărul de celule stem din sânge în timp ce pacienții sunt imunitar compromiși. Prostaglandina E2 – pe care am identificat-o din munca noastră pe peștele zebră – ne sugerează o modalitate de a face acest lucru.”

Această idee a fost deja susținută de primele experimente pe peștele zebră și pe șoareci. Zon și echipa sa au prelevat măduva osoasă de la șoareci și au tratat o parte dintre ei cu prostaglandină. O parte a fost lăsată netratată. Apoi, oamenii de știință au returnat măduva osoasă la șoareci. Măduva tratată cu prostaglandină a refăcut sângele și sistemul imunitar al șoarecilor mult mai repede decât versiunea netratată.

Această lucrare pe animale a fost acum repetată într-un studiu clinic de fază întâi la oameni, a adăugat Zon. La pacienții cu leucemie care au fost supuși chimioterapiei, s-a constatat că transfuziile de sânge din cordonul ombilical care au fost tratate cu prostaglandină au restabilit globulele albe și trombocitele cu câteva zile mai devreme în comparație cu pacienții cărora nu li s-a adăugat prostaglandină la transfuziile de sânge din cordonul ombilical. „Este o evoluție foarte promițătoare”, adaugă Zon.

Institutul Sanger dispune de fonduri pentru a studia 8.000 de seturi de pești zebră mutanți încrucișați, din care oamenii săi de știință se așteaptă să identifice funcția a 80-90% din toate genele umane.

„Până în prezent, am secvențiat genomurile a aproximativ 3.000 de pești zebră mutanți și am identificat mutații în aproximativ jumătate din toate genele care codifică proteine”, spune Stemple. Punem toate aceste informații la dispoziția publicului prin intermediul unor centre precum Zebrafish International Resource Centre din Oregon și European Zebrafish Resource Centre din Karlsruhe, Germania. De asemenea, trimitem mostre de spermă congelată de la fiecare dintre tulpinile mutante de pești zebră pe care le-am creat la aceste centre, astfel încât acestea să poată fi arhivate acolo. Oamenii de știință de oriunde din lume pot cere apoi să utilizeze acest spermă congelată pentru a crea o tulpină de pește zebră cu o anumită mutație. Medicamentele care ar putea trata bolile legate de echivalentul uman al acestei gene pot fi apoi testate pentru a le găsi pe cele mai eficiente.

„În acest fel, dezvoltăm un instrument extrem de puternic, unul care va identifica cu precizie funcțiile tuturor genelor noastre și ne va ajuta să creăm noi medicamente care pot aborda bolile legate de aceste gene. Și totul se întâmplă datorită peștelui zebră.”