Det börjar med sex på stranden. Paren av zebrafiskar skiljer sig från resten av sitt stim och rör sig till grundare och grundare vatten, och fortsätter att kavla runt varandra i snabba, dartande rörelser. När honan når botten som bara ligger ett par centimeter under vattenlinjen utlöses en biologisk reaktion av hennes närhet till stranden och hon lägger en kupa med flera hundra ägg. Dessa befruktas omedelbart av hennes partner. Inom några dagar har hundratals unga zebrafiskar utvecklats till ett stadium där de kan jaga och äta byten.
Det är en anmärkningsvärd prestation, en av naturens mer fascinerande fortplantningsritualer (se rutan på sidan 32). Men parningen av zebrafiskar har konsekvenser som sträcker sig långt bortom ren biologisk nyfikenhet. Detta är en fisk som har fått en häpnadsväckande vetenskaplig betydelse under de senaste åren och som nu spelar en nyckelroll när det gäller att reda ut rollerna för alla de 20 000 generna i människokroppen. En varelse som är mest känd som ett akvariedjur har blivit en vetenskaplig stjärna.
Det är en dramatisk förvandling. Men varför har den inträffat? Vad är det som är så speciellt med denna lilla, svartvita invånare i asiatiska sötvattenbäckar. Och, ännu viktigare, vilka medicinska hemligheter hjälper den till att avslöja? Svaret på den första frågan är enkelt. Zebrafiskens stora popularitet beror på att den har fått en så gott som varje ruta på en önskelista över egenskaper som forskare söker när de försöker modellera sjukdomar hos människor.
För det första har vi den enkla frågan om antalet djur. Varje gång en zebrafisk lägger sina ägg producerar hon hundratals avkommor, vilket ger forskarna ett rikligt utbud av måltavlor för sin forskning. Dessutom växer zebrafiskar i en häpnadsväckande takt. ”Ett embryo utvecklas lika mycket på en dag som ett mänskligt embryo gör på en månad, och en fisk blir fullvuxen – och når sin maximala storlek på cirka 15 centimeter – inom tre månader”, säger zebrafiskforskaren Elisabeth Busch-Nentwich vid Sanger Institute i Cambridgeshire.
För att få det hela på sin spets är det lätt att hålla ett stort antal zebrafiskar i laboratorier. En diet av saltvattenräkor och färskvatten håller dem nöjda i flera år. Slutligen, och förmodligen viktigast av allt, är unga zebrafiskar nästan helt genomskinliga, vilket är en viktig egenskap eftersom det gör det möjligt för forskare att studera cellerna i deras kroppar när de växer och delar sig. Denna sista punkt betonas av en annan Sangerforskare, Keren Carss. ”Man kan göra alla möjliga experimentella förändringar på zebrafiskembryon och se de fysiologiska resultaten nästan omedelbart. Och man kan studera dessa förändringar mycket lätt på grund av zebrafiskens nästan genomskinlighet. Man kan se vad som händer utan att röra dem, vilket man inte kan göra med andra laboratoriedjur, som måste dödas för att kunna studeras. Det gör zebrafiskar mycket användbara för vetenskapen.”
I själva verket är Danio rerio, för att ge dem sitt vetenskapliga namn, inte så mycket användbar för modern biologisk forskning som oumbärlig. I kombination med sin genomskinlighet och sin anmärkningsvärda tillväxthastighet ligger zebrafiskens genetiska struktur förvånansvärt nära Homo sapiens.
Som ett resultat av detta har forskare redan använt fisken för att fastställa funktionerna hos hundratals mänskliga gener. ”Tack vare slutförandet av Human Genome Project för tio år sedan upptäckte vi strukturerna för alla de cirka 20 000 gener som ingår i människans konstitution”, säger Derek Stemple, chef för mus- och zebrafiskgenetik vid Sanger.
”Men vi har inte lärt oss vad dessa gener gör i människokroppen. Det är den uppgiften vi står inför i dag. Vi måste upptäcka vad våra gener gör, vilka proteiner de tillverkar och hur de samverkar. Vi har lärt oss vad vissa gener gör, men rollerna för de allra flesta förblir ett mysterium – och det är där zebrafisken kommer in i bilden.
”Ungefär 70 procent av våra gener visar sig ha en motsvarighet i zebrafisken. Om man tittar på gener som orsakar sjukdomar hos människor har 84 % av dessa gener en motsvarighet i zebrafiskar. Det är därför Wellcome Trust har betalat så mycket pengar för att studera zebrafiskar vid Sanger Institute.”
De framgångar som uppnåtts genom att jämföra människans och zebrafiskens genom omfattar upptäckter av flera tidigare okända gener som är inblandade i sällsynta former av muskeldystrofi, av genetiska vägar som är inblandade i människans embryoutveckling och hjärtfysiologi samt läkemedel som nu testas som framtida behandlingar för hudcancer. Ett annat exempel är det arbete som Tim Chico, konsultkardiolog vid University of Sheffield, utför. ”Samma vägar och gener som har skapat mitt hjärta och ditt hjärta är ansvariga för att sätta igång hjärtutvecklingen hos zebrafiskar”, påpekar Chico. Och denna likhet har mycket viktiga konsekvenser, tillägger han.
”Vi har ett bibliotek med många tusen föreningar som kan vara nästa bästa läkemedel mot hjärtsjukdomar. Med zebrafiskar kan vi mycket snabbt screena dem för att se om föreningarna har en effekt. Vi kan stänga av gener och se hur zebrafisken återskapar kärl för att reparera skador. Om vi kunde slå på rätt gener hos människor skulle vi kunna leva längre och överleva bättre efter en hjärtattack.”
Dessa projekt förklarar varför zebrafisken har blivit ett så populärt djur för forskarna. Men exakt hur omvandlar forskarna information från en varelse som senast delade en gemensam förfader med mänskligheten för cirka 300 miljoner år sedan? Svaret kommer från Stemple. Forskaren sitter på ett kontor fyllt av cyklar, hjälmar och olika kasserade kläder. Hans rum har utsikt över en stor byggarbetsplats i utkanten av Cambridgeshires Genome Campus där ett nytt centrum för European Bioinformatics Institute, som delar området med Sangerinstitutet, håller på att byggas. Genome Campus utvecklades för första gången under förra århundradet och har sedan dess stått i fokus för en intensiv expansion, drivet av den anmärkningsvärda boomen inom gentekniken.
Vetenskapsmännen tog åratal och spenderade miljarder pund på att sekvensera det allra första mänskliga genomet. I dag kan den uppgiften göras för några tusen pund och tar bara några timmar. Triljoner databitar strömmar nu dagligen från de automatiserade gensekvensatorerna vid Sangerinstitutet när dess forskare undersöker de genetiska strukturerna hos patienter, djur – inklusive zebrafiskar – och tumörceller, en lavin av data som styrs från en uppsättning kraftfulla datorer som har en egen, imponerande stor byggnad. ”Bioinformatik är framtidens vetenskap”, säger Stemple. ”Den driver vårt arbete här och vår forskning om zebrafiskar.”
Det är viktigt att kunna analysera stora datamängder när man använder zebrafiskar för att ta reda på hemligheterna bakom mänskliga gener. De underliggande förfaranden som används för att generera denna information bygger dock på mer traditionella metoder för genetisk forskning. ”Det vi gör är att generera mutationer”, säger Stemple. ”Vi behandlar hanar av zebrafiskar med kemikalier och det skapar mutationer i deras gener.”
Gener är ansvariga för att styra tillverkningen av proteiner i alla djurs kroppar. Så en mutation i en gen kommer att störa det protein som den tillverkar. Den kan till exempel tillverka ett protein som är halverat. Forskarnas knep är att koppla en specifik mutation i en gen till en förändring i zebrafiskens utseende eller beteende, en koppling som leder dem till att avslöja det protein som vanligtvis tillverkas av den genen.
”Vårt mål är att ta reda på funktionen hos en gen när den inte har muterats, när den är i sitt normala tillstånd”, tillägger Busch-Nentwich. ”Eftersom zebrafiskar har så många nära motsvarigheter till generna hos Homo sapiens kommer detta också att berätta för oss vilken funktion den mänskliga genen har.”
För att göra detta ska forskarna – när de väl har skapat sina muterade zebrafiskhannar – avlasta dem med obehandlade, normala zebrafiskhonor. Männens mutationer förs sedan vidare till en ny generation zebrafiskar. Denna första generation fiskar korsas sedan för att skapa en andra generation där vissa fiskar har två kopior av samma muterade gen – en från deras mödrar, en från deras fäder – och som tydligt kommer att manifestera sig i de unga fiskarnas fysiologi.
”Vi sekvenserar också genomet hos de fiskar vi föder upp”, tillägger Stemple. ”Sedan tittar vi på fiskarna i vår sista generation och undersöker de fiskar som har ovanliga egenskaper. Till exempel hittade vi nyligen en familj zebrafiskar, som skapats genom vår mutationsforskning, som helt saknade pigmentering.
”Vi kunde också se genom vår genomanalys att den hade en mutation i en gen som heter slc22a7b. Det fanns en tydlig koppling som visade att denna gen är involverad i pigmentering. Ännu tydligare är att det finns en mänsklig motsvarighet till den genen som vi nu tror är ansvarig för kodning av gener som är involverade i pigmentering hos människor.”
Ett annat exempel på zebrafiskens värde för medicinen ges av den forskning som Carss utfört vid Sanger. Hon arbetar med en form av muskeldystrofi som kallas dystroglykanopati, som vanligen förekommer hos spädbarn och småbarn och som orsakar svaghet och rörelseförlust. Med hjälp av zebrafiskar har Carss upptäckt att mutationer i generna B3galnt2 och GmppB gav upphov till embryon som var små och böjda jämfört med friska embryon.
”Zebrafiskembryon med de störda generna har strukturella och funktionella defekter som efterliknar symtomen hos barn med dystroglykankopati”, tillägger Carss. ”Det är ett mycket starkt bevis för att de mutationer som vi hittade i B3galnt2 och GmppB orsakar dystroglykanopati hos barn. Att veta att dessa gener är inblandade ger oss ledtrådar om vilka behandlingar vi skulle kunna ge dessa barn. För säkerhets skull skulle zebrafiskembryon kunna användas för att testa dessa behandlingar.”
Enthusiasm för zebrafiskforskning delas också av Leonard Zon, professor i pediatrisk medicin vid Boston Children’s Hospital, som är en del av Harvard Medical School. ”Zebrafisken är ett fantastiskt biologiskt system”, säger han. ”Deras embryon kan absorbera kemikalier som man har tillsatt i deras vatten. Så det är lätt att framkalla mutationer i deras gener.”
I en uppsättning experiment som hans grupp utförde tillsatte Zon olika läkemedel till zebrafiskembryon och upptäckte ett, kallat prostaglandin E2, som ökade deras nivåer av blodstamceller – och följaktligen även blodstamcellsnivåerna hos människor. Dessa celler, som tillverkas i benmärgen, är föregångare till alla typer av celler som ingår i vårt blod, inklusive de vita celler som bildar vårt immunförsvar.
Fyndet kan vara betydelsefullt, säger Zon, eftersom det skulle kunna användas för att förbättra stamcellstransplantationer för patienter, i synnerhet de som lider av cancer. ”Benmärg förstörs under kemoterapi och måste ersättas hos patienterna när behandlingen är avslutad. Om en patient inte har någon släkting vars benmärg matchar hans eller hennes, använder en läkare blodstamceller från navelsträngar. Dessa lagras rutinmässigt i navelsträngsbanker i dag. Transfusioner av navelsträngsblod kan återställa patienternas immunförsvar. Men dessa navelsträngar innehåller bara ett fåtal celler och vi måste hitta sätt att snabbt öka antalet blodstamceller medan patienterna har ett nedsatt immunförsvar. Prostaglandin E2 – som vi har identifierat genom vårt arbete med zebrafiskar – kan vara ett sätt att göra det.”
Den här idén har redan fått stöd av tidiga experiment på zebrafiskar och möss. Zon och hans team tog benmärg från möss och behandlade några av dem med prostaglandin. En del lämnades obehandlade. Sedan gav forskarna tillbaka benmärgen till mössen. Den benmärg som behandlats med prostaglandin återställde musens blod- och immunsystem mycket snabbare än den obehandlade versionen.
Detta djurarbete har nu upprepats i en klinisk fas 1-studie på människor, tillade Zon. Hos leukemipatienter som hade genomgått kemoterapi fann man att transfusioner av navelsträngsblod som behandlades med prostaglandin återställde vita blodkroppar och trombocyter flera dagar tidigare jämfört med patienter som inte fick något prostaglandin tillsatt till sina transfusioner av navelsträngsblod. ”Det är en mycket lovande utveckling”, tillägger Zon.
Sangerinstitutet har finansiering för att studera 8 000 uppsättningar av korsade muterade zebrafiskar från vilka forskarna förväntar sig att kunna fastställa funktionen hos 80-90 procent av alla mänskliga gener.
”Hittills har vi sekvenserat arvsmassan hos cirka 3 000 muterade zebrafiskar och identifierat mutationer i ungefär hälften av alla proteinkodande gener”, säger Stemple. Vi gör all denna information allmänt tillgänglig via centra som Zebrafish International Resource Centre i Oregon och European Zebrafish Resource Centre i Karlsruhe, Tyskland. Vi skickar också prover av fryst sperma från var och en av de muterade stammar av zebrafiskar som vi har skapat till dessa centra så att de kan arkiveras där. Forskare var som helst i världen kan sedan begära att få använda denna frysta sperma för att skapa en stam av zebrafiskar med en viss mutation. Läkemedel som kan användas för att behandla sjukdomar som är kopplade till den mänskliga motsvarigheten till denna gen kan sedan testas för att hitta de mest effektiva.
”Vi utvecklar ett oerhört kraftfullt verktyg på detta sätt, ett verktyg som kommer att fastställa funktionerna hos alla våra gener och som kommer att hjälpa oss att skapa nya läkemedel som kan hantera sjukdomar som är kopplade till dessa gener. Och allt detta sker tack vare zebrafisken.”
{{topLeft}}
{{bottomLeft}}
{{topRight}}
{{bottomRight}}
{{/goalExceededMarkerPercentage}}
{{/ticker}}
{{heading}}
{{#paragraphs}}
{{.}}
{{/paragraphs}}}{{highlightedText}}
- Dela på Facebook
- Dela på Twitter
- Dela via e-post
- Dela på LinkedIn
- Dela på Pinterest
- Dela på WhatsApp
- Dela på Messenger
.