Рыбка данио ( Danio rerio ) — пресноводная рыба , принадлежащая к семейству карповых ( Cyprinidae ) отряда карпообразных . Родом из Южной Азии, [2] это популярная аквариумная рыбка , часто продаваемая под торговым названием данио-зебра [3] (и поэтому часто называемая « тропической рыбой », хотя она является как тропической, так и субтропической ).
Рыба данио-рерио является важным и широко используемым модельным организмом позвоночных в научных исследованиях, особенно в биологии развития , а также в исследованиях функций генов, онкологии , тератологии и разработке лекарственных препаратов , в частности, в доклинических исследованиях . [4] Она также известна своими регенеративными способностями, [5] и была модифицирована исследователями для получения множества трансгенных штаммов. [6] [7] [8]
Рыбка данио-рерио является производным членом рода Brachydanio , семейства Cyprinidae . Она имеет родственные связи с Danio aesculapii . [9] Рыбка данио-рерио также тесно связана с родом Devario , как показано на филогенетическом дереве близких видов. [10]
Рыба данио-рерио является родным видом пресноводных местообитаний в Южной Азии, где она встречается в Индии, Пакистане, Бангладеш, Непале и Бутане. [1] [11] [12] [13] Северная граница находится в Южных Гималаях , простираясь от бассейна реки Сатледж в пограничном регионе Пакистана и Индии до штата Аруначал-Прадеш на северо-востоке Индии. [1] [12] Ее ареал сосредоточен в бассейнах рек Ганг и Брахмапутра , и вид был впервые описан из реки Коси (бассейн нижнего Ганга) в Индии. Ее ареал дальше на юг более локален, с разрозненными записями из регионов Западных и Восточных Гат . [13] [14] Часто говорят, что она встречается в Мьянме (Бирме), но это полностью основано на записях до 1930 года и, вероятно, относится к близким родственникам, описанным только позже, в частности, Danio kyathit . [13] [15] [16] [17] Аналогичным образом, старые [ требуется разъяснение ] записи из Шри-Ланки весьма сомнительны и остаются неподтвержденными. [15]
Рыбы данио-рерио были завезены в Калифорнию, Коннектикут, Флориду и Нью-Мексико в Соединенных Штатах, предположительно, путем преднамеренного выпуска аквариумистами или путем побега с рыбных ферм . Популяция в Нью-Мексико была истреблена к 2003 году, и неясно, выжили ли остальные, поскольку последние опубликованные записи были сделаны несколько десятилетий назад. [18] В других местах вид был завезен в Колумбию и Малайзию. [12] [19]
Рыба данио-рерио обычно обитает в умеренно текущей или стоячей чистой воде довольно небольшой глубины в ручьях, каналах, канавах, старицах , прудах и рисовых полях . [13] [19] [20] Обычно там есть некоторая растительность, либо погруженная, либо нависающая с берегов, а дно песчаное, илистое или илистое, часто смешанное с галькой или гравием. В исследованиях мест обитания рыбы данио-рерио на протяжении большей части ее распространения в Бангладеш и Индии, вода имела почти нейтральный или несколько щелочной pH и в основном колебалась от 16,5 до 34 °C (61,7–93,2 °F) по температуре. [13] [21] В одном необычно холодном месте было всего 12,3 °C (54,1 °F), а в другом необычно теплом месте было 38,6 °C (101,5 °F), но рыба данио-рерио все еще казалась здоровой. Необычно низкая температура наблюдалась в одном из самых высоких известных мест обитания данио-рерио — на высоте 1576 м (5171 фут) над уровнем моря, хотя этот вид был зарегистрирован на высоте 1795 м (5889 футов). [13]
Рыба данио-рерио названа так из-за пяти равномерных, пигментированных, горизонтальных синих полос по бокам тела, которые напоминают полосы зебры и которые простираются до конца хвостового плавника . Ее форма веретенообразная и сжатая с боков, рот направлен вверх. Самец имеет форму торпеды с золотыми полосами между синими полосами; у самки более крупное беловатое брюшко и серебряные полосы вместо золотых. У взрослых самок перед началом анального плавника есть небольшой генитальный сосочек . Рыба данио-рерио может достигать 4–5 см (1,6–2,0 дюйма) в длину, [16] хотя в дикой природе они обычно имеют длину 1,8–3,7 см (0,7–1,5 дюйма) с некоторыми вариациями в зависимости от местоположения. [ необходима цитата ] Продолжительность жизни в неволе составляет около двух-трех лет, хотя в идеальных условиях она может быть продлена до пяти лет. [20] [22] В дикой природе это, как правило, однолетний вид. [1]
В 2015 году было опубликовано исследование о способности данио-рерио к эпизодической памяти . Особи показали способность запоминать контекст относительно объектов, мест и событий (что, когда, где). Эпизодическая память — это способность эксплицитных систем памяти, обычно связанных с сознательным опытом . [23]
Клетки Маутнера интегрируют широкий спектр сенсорных стимулов для создания рефлекса побега . Эти стимулы включают сигналы боковой линии по МакГенри и др. 2009 и визуальные сигналы , соответствующие приближающимся объектам по Темайзеру и др. 2015, Данну и др. 2016 и Яо и др. 2016. [24]
Приблизительное время генерации Danio rerio составляет три месяца. Для овуляции и нереста должен присутствовать самец . Зебрафиш нерестится асинхронно [25] и при оптимальных условиях (таких как доступность пищи и благоприятные параметры воды) может успешно нереститься часто, даже ежедневно. [26] Самки способны нереститься с интервалом в два-три дня, откладывая сотни икринок в каждой кладке . После выпуска начинается эмбриональное развитие; при отсутствии спермы рост останавливается после первых нескольких делений клеток. Оплодотворенные икринки почти сразу становятся прозрачными, что делает D. rerio удобным видом для исследований . [ 20] Было показано, что определение пола распространенных лабораторных штаммов является сложным генетическим признаком, а не следует простой системе ZW или XY. [27]
Эмбрион данио-рерио развивается быстро, и предшественники всех основных органов появляются в течение 36 часов после оплодотворения. Эмбрион начинается с желтка с одной огромной клеткой наверху (см. изображение, панель 0 ч), которая делится на две (панель 0,75 ч) и продолжает делиться до тех пор, пока не появятся тысячи маленьких клеток (панель 3,25 ч). Затем клетки мигрируют вниз по сторонам желтка (панель 8 ч) и начинают формировать голову и хвост (панель 16 ч). Затем хвост растет и отделяется от тела (панель 24 ч). Желток со временем уменьшается, потому что рыба использует его в пищу по мере созревания в течение первых нескольких дней (панель 72 ч). Через несколько месяцев взрослая рыба достигает репродуктивной зрелости (нижняя панель).
Чтобы побудить рыбу к нересту, некоторые исследователи используют аквариум с выдвижной нижней вставкой, которая уменьшает глубину бассейна, имитируя берег реки. Зебра лучше всего мечет икру утром из-за своих циркадных ритмов . Используя этот метод, исследователи смогли собрать 10 000 эмбрионов за 10 минут. [28] В частности, одна пара взрослых рыб способна отложить 200–300 икринок за одно утро примерно за 5–10 раз. [29] Известно, что самцы зебры реагируют на более выраженные отметины у самок, то есть «хорошие полоски», но в группе самцы будут спариваться с любыми самками, которых смогут найти. Что привлекает самок, в настоящее время неясно. Присутствие растений, даже пластиковых, также, по-видимому, стимулирует нерест. [28]
Воздействие экологически значимых концентраций диизононилфталата (ДИНП), обычно используемого в большом количестве пластиковых изделий, нарушает эндоканнабиноидную систему и тем самым влияет на репродуктивную функцию в зависимости от пола. [30]
Рыбки данио-рерио всеядны , в основном питаются зоопланктоном , фитопланктоном , насекомыми и личинками насекомых , хотя они могут есть и другие виды пищи, такие как черви и мелкие ракообразные , если их любимые источники пищи недоступны. [20]
В ходе исследований взрослых особей данио-рерио часто кормят артемиями или парамециями . [31]
Рыбки данио — выносливые рыбы, и считаются хорошими для начинающих аквариумистов. Их неизменная популярность может быть связана с их игривым нравом [32] , а также с их быстрым размножением, эстетикой, низкой ценой и широкой доступностью. Они также хорошо себя чувствуют в стаях или косяках из шести или более особей и хорошо взаимодействуют с другими видами рыб в аквариуме. Однако они восприимчивы к оодиниозу или бархатной болезни, микроспоридии ( Pseudoloma neurophilia ) и видам микобактерий . При наличии возможности взрослые особи поедают вылупившихся детенышей, которых можно защитить, разделив две группы сеткой, ящиком для размножения или отдельным аквариумом. В неволе рыбки данио живут приблизительно сорок два месяца. У некоторых рыбок данио в неволе может развиться изогнутый позвоночник. [33]
Они могут иметь размер от нескольких сантиметров до нескольких дюймов и обеспечивают движение в пресноводном аквариуме. [34]
Данио-зебра также использовались для создания генетически модифицированной рыбы и стали первым видом, который продавался как GloFish (флуоресцентная окрашенная рыба).
В конце 2003 года трансгенные зебровые рыбы, которые экспрессируют зеленые , красные и желтые флуоресцентные белки, стали коммерчески доступны в Соединенных Штатах. Флуоресцентные штаммы имеют торговое название GloFish ; другие культивируемые разновидности включают «золотую», «песчаную», «длинноплавниковую» и «леопардовую».
Данио леопардовый, ранее известный как Danio frankei , представляет собой пятнистую окраску данио рерио, которая возникла из-за мутации пигмента. [35] Ксантозные формы как зебрового, так и леопардового окраса, а также длинноплавниковые штаммы были получены с помощью селективных программ разведения для торговли аквариумами. [36]
Различные трансгенные и мутантные штаммы данио-рерио хранились в Китайском центре ресурсов данио-рерио (CZRC), некоммерческой организации, которая совместно поддерживалась Министерством науки и технологий Китая и Китайской академией наук . [ необходима цитата ]
Информационная сеть по данио-рерио ( ZFIN ) предоставляет актуальную информацию о современных известных штаммах дикого типа (WT) D. rerio , некоторые из которых перечислены ниже. [37]
Гибриды между различными видами данио могут быть плодовитыми: например, между D. rerio и D. nigrofasciatus . [10]
D. rerio — это распространенный и полезный научный модельный организм для изучения развития позвоночных и функции генов . Его использование в качестве лабораторного животного было впервые начато американским молекулярным биологом Джорджем Штрайзингером и его коллегами из Университета Орегона в 1970-х и 1980-х годах; клоны данио-рерио Штрайзингера были одними из самых ранних созданных успешных клонов позвоночных. [38] Его важность была закреплена успешными крупномасштабными прямыми генетическими скринингами (обычно называемыми скринингами Тюбинген/Бостон). У рыбы есть специальная онлайн-база данных генетической, геномной и развивающей информации — Информационная сеть по данио-рерио (ZFIN). Международный центр ресурсов по данио-рерио (ZIRC) — это хранилище генетических ресурсов с 29 250 аллелями , доступными для распространения среди исследовательского сообщества. D. rerio также является одним из немногих видов рыб , отправленных в космос .
Исследования с D. rerio дали прогресс в области биологии развития , онкологии , [39] токсикологии , [29] [40] [41] репродуктивных исследований, тератологии , генетики , нейробиологии , наук об окружающей среде , исследований стволовых клеток , регенеративной медицины , [42] [43] мышечных дистрофий [44] и эволюционной теории . [10]
Как модельная биологическая система, данио-рерио обладает многочисленными преимуществами для ученых. Его геном полностью секвенирован , и он имеет хорошо понятные, легко наблюдаемые и проверяемые особенности развития. Его эмбриональное развитие происходит очень быстро, а его эмбрионы относительно крупные, крепкие и прозрачные, и способны развиваться вне своей матери. [45] Кроме того, хорошо охарактеризованные мутантные штаммы легко доступны.
Другие преимущества включают в себя почти постоянный размер вида на ранних стадиях развития, что позволяет использовать простые методы окрашивания , и тот факт, что его двухклеточный эмбрион может быть слит в одну клетку для создания гомозиготного эмбриона. Эмбрионы данио-рерио прозрачны и развиваются вне матки, что позволяет ученым изучать детали развития, начиная с оплодотворения и продолжая на протяжении всего развития. Данио-рерио также явно похож на модели млекопитающих и людей в тестировании на токсичность и демонстрирует суточный цикл сна со сходством с поведением сна млекопитающих. [46] Однако данио-рерио не являются универсально идеальной исследовательской моделью; существует ряд недостатков для их научного использования, таких как отсутствие стандартной диеты [47] и наличие небольших, но важных различий между данио-рерио и млекопитающими в ролях некоторых генов, связанных с человеческими расстройствами. [48] [49]
Рыбки данио-рерио способны регенерировать свое сердце и волосковые клетки боковой линии во время личиночных стадий. [50] [51] Процесс регенерации сердца, вероятно, включает сигнальные пути, такие как Notch и Wnt ; гемодинамические изменения в поврежденном сердце воспринимаются эндотелиальными клетками желудочков и связанными с ними сердечными ресничками с помощью механочувствительного ионного канала TRPV4 , впоследствии облегчая сигнальный путь Notch через KLF2 и активируя различные последующие эффекторы, такие как BMP-2 и HER2/neu . [52] В 2011 году Британский кардиологический фонд провел рекламную кампанию, объявив о своем намерении изучить применимость этой способности к людям, заявив, что он намерен собрать 50 миллионов фунтов стерлингов на финансирование исследований. [53] [54]
Также было обнаружено, что данио рерио регенерирует фоторецепторные клетки и нейроны сетчатки после травмы, что, как было показано, опосредовано дедифференциацией и пролиферацией глии Мюллера . [55] Исследователи часто ампутируют спинной и вентральный хвостовые плавники и анализируют их отрастание, чтобы проверить на наличие мутаций. Было обнаружено, что деметилирование гистонов происходит в месте ампутации, переключая клетки данио рерио в «активное», регенеративное, подобное стволовым клеткам состояние. [56] [57] В 2012 году австралийские ученые опубликовали исследование, показывающее, что данио рерио используют специализированный белок , известный как фактор роста фибробластов , для обеспечения заживления спинного мозга без глиальных рубцов после травмы. [5] [58] Кроме того, было обнаружено, что волосковые клетки задней боковой линии также регенерируют после повреждения или нарушения развития. [51] [59] Изучение экспрессии генов во время регенерации позволило идентифицировать несколько важных сигнальных путей, участвующих в этом процессе, таких как сигнализация Wnt и фактор роста фибробластов . [59] [60]
При исследовании расстройств нервной системы, включая нейродегенеративные заболевания, двигательные расстройства, психиатрические расстройства и глухоту, исследователи используют данио-рерио, чтобы понять, как генетические дефекты, лежащие в основе этих состояний, вызывают функциональные отклонения в человеческом мозге, спинном мозге и органах чувств. [61] [62] [63] [64] Исследователи также изучали данио-рерио, чтобы получить новое представление о сложностях заболеваний опорно-двигательного аппарата человека, таких как мышечная дистрофия . [65] Еще одним направлением исследований данио-рерио является понимание того, как ген под названием Hedgehog , биологический сигнал, лежащий в основе ряда видов рака у человека, контролирует рост клеток.
Инбредные штаммы и традиционные аутбредные популяции не были разработаны для лабораторных данио-рерио, а генетическая изменчивость линий дикого типа среди учреждений может способствовать кризису репликации в биомедицинских исследованиях. [66] Генетические различия в линиях дикого типа среди популяций, поддерживаемых в разных исследовательских учреждениях, были продемонстрированы с использованием как однонуклеотидных полиморфизмов [67] , так и микросателлитного анализа. [68]
Благодаря своим быстрым и коротким жизненным циклам и относительно большим размерам кладки, D. rerio или данио-рерио являются полезной моделью для генетических исследований. Распространенным методом обратной генетики является снижение экспрессии генов или изменение сплайсинга с использованием антисмысловой технологии морфолино . Морфолино -олигонуклеотиды (МО) представляют собой стабильные синтетические макромолекулы , которые содержат те же основания , что и ДНК или РНК; связываясь с комплементарными последовательностями РНК, они могут снижать экспрессию определенных генов или блокировать другие процессы, происходящие в РНК. МО можно вводить в одну клетку эмбриона после стадии 32 клеток, снижая экспрессию генов только в клетках, произошедших от этой клетки. Однако клетки на ранней стадии эмбриона (менее 32 клеток) проницаемы для крупных молекул, [69] [70] что позволяет осуществлять диффузию между клетками. Руководства по использованию морфолино у данио-рерио описывают соответствующие стратегии контроля. [71] Морфолино обычно вводят микроинъекциями в объеме 500 мкл непосредственно в эмбрионы данио-рерио на стадии 1–2 клеток. Морфолино способен интегрироваться в большинство клеток эмбриона. [72]
Известная проблема с генными нокдаунами заключается в том, что, поскольку геном подвергся дупликации после расхождения лучеперых и лопастепёрых рыб , не всегда легко надёжно подавить активность одного из двух паралогов генов из-за комплементации другим паралогом. [73] Несмотря на сложность генома данио-рерио , существует ряд коммерчески доступных глобальных платформ для анализа как экспрессии генов с помощью микрочипов , так и регуляции промоторов с помощью ChIP-on-chip . [74]
Wellcome Trust Sanger Institute начал проект по секвенированию генома данио-рерио в 2001 году, и полная последовательность генома эталонного штамма Тюбингена доступна для общественности на странице генома данио-рерио Национального центра биотехнологической информации (NCBI). Последовательность эталонного генома данио-рерио аннотируется как часть проекта Ensembl и поддерживается Genome Reference Consortium . [75]
В 2009 году исследователи из Института геномики и интегративной биологии в Дели, Индия, объявили о секвенировании генома дикого штамма данио-рерио, содержащего, по оценкам, 1,7 миллиарда генетических букв. [76] [77] Геном дикого данио-рерио был секвенирован с 39-кратным покрытием. Сравнительный анализ с референсным геномом данио-рерио выявил более 5 миллионов вариаций отдельных нуклеотидов и более 1,6 миллиона вариаций вставок-делеций. Референсная последовательность генома данио-рерио размером 1,4 ГБ и более 26 000 генов, кодирующих белки, была опубликована Керстин Хоу и соавторами в 2013 году . [78]
В октябре 2001 года исследователи из Университета Оклахомы опубликовали полную последовательность митохондриальной ДНК D. rerio . [79] Ее длина составляет 16 596 пар оснований. Это в пределах 100 пар оснований других родственных видов рыб, и она, в частности, всего на 18 пар длиннее, чем у золотой рыбки ( Carassius auratus ) и на 21 пару длиннее, чем у карпа ( Cyprinus carpio ). Ее порядок генов и содержание идентичны общей форме митохондриальной ДНК позвоночных . Она содержит 13 генов, кодирующих белок , и некодирующую контрольную область, содержащую начало репликации для тяжелой цепи. Между группой из пяти генов тРНК обнаружена последовательность, напоминающая начало репликации легкой цепи позвоночных. Сделать эволюционные выводы сложно, поскольку сложно определить, имеют ли изменения пар оснований адаптивное значение посредством сравнения с нуклеотидными последовательностями других позвоночных. [79]
T-boxes и гомеобоксы жизненно важны для Danio , как и для других позвоночных. [80] [81] Команда Брюса и др. известна в этой области, и в работах Брюса и др. 2003 и Брюса и др. 2005 раскрывают роль двух из этих элементов в ооцитах этого вида. [80] [81] Вмешиваясь через доминантный нефункциональный аллель и морфолино, они обнаруживают, что активатор транскрипции T-box Eomesodermin и его цель mtx2 – фактор транскрипции – жизненно важны для эпиболии . [80] [81] (В работе Брюса и др. 2003 им не удалось подтвердить возможность того, что Eomesodermin ведет себя как Vegt. [80] Ни они, ни кто-либо другой не смогли обнаружить какую-либо мутацию , которая – у матери – предотвратит инициацию процессов развития мезодермы или энтодермы у этого вида.) [80]
В 1999 году мутация перламутра была идентифицирована у данио-рерио в ортологе фактора транскрипции млекопитающих MITF . [82] Мутации в человеческом MITF приводят к дефектам глаз и потере пигмента, типу синдрома Ваарденбурга . В декабре 2005 года исследование золотистой линии идентифицировало ген, ответственный за ее необычную пигментацию, как SLC24A5 , переносчик растворенного вещества , который, по-видимому, необходим для производства меланина , и подтвердило его функцию с помощью нокдауна Morpholino. Затем ортологичный ген был охарактеризован у людей, и было обнаружено, что разница в одну пару оснований сильно разделяет светлокожих европейцев и темнокожих африканцев. [83] С тех пор данио-рерио с мутацией перламутра скрещивались с рыбами с мутацией roy orbison (roy), чтобы получить рыбу линии Casper, у которой нет меланофоров или иридофоров, и которая прозрачна во взрослом возрасте. Эти рыбы характеризуются равномерно пигментированными глазами и полупрозрачной кожей. [7] [84]
Трансгенез — популярный подход к изучению функции генов у данио-рерио. Создание трансгенных данио-рерио довольно просто с помощью метода, использующего систему транспозонов Tol2 . Элемент Tol2 , который кодирует ген для полностью функциональной транспозазы, способной катализировать транспозицию в зародышевой линии данио-рерио. Tol2 — единственный природный транспозируемый элемент ДНК у позвоночных, из которого был идентифицирован автономный член. [85] [86] Примеры включают искусственное взаимодействие, произведенное между LEF1 и катенином бета-1 /β-катенином/ CTNNB1 . Дорски и др. 2002 исследовали роль Wnt в развитии путем трансгенной экспрессии репортера Lef1/β-катенина. [87]
Существуют хорошо зарекомендовавшие себя протоколы редактирования генов данио-рерио с использованием CRISPR-Cas9 [88] , и этот инструмент использовался для создания генетически модифицированных моделей.
В 2008 году исследователи из Бостонской детской больницы вывели новый штамм данио-рерио, названный Каспер, чьи взрослые тела имели прозрачную кожу. [7] Это позволяет детально визуализировать клеточную активность, кровообращение, метастазы и многие другие явления. [7] В 2019 году исследователи опубликовали скрещивание штамма prkdc -/- и штамма IL2rga -/-, в результате которого было получено прозрачное иммунодефицитное потомство, лишенное естественных клеток-киллеров , а также B- и T-клеток . Этот штамм можно адаптировать к теплой воде с температурой 37 °C (99 °F), а отсутствие иммунной системы делает возможным использование ксенотрансплантатов , полученных от пациентов . [89] В январе 2013 года японские ученые генетически модифицировали прозрачный образец данио-рерио, чтобы он производил видимое свечение в периоды интенсивной мозговой активности. [8]
В январе 2007 года китайские исследователи из Университета Фудань генетически модифицировали данио-рерио, чтобы обнаружить загрязнение эстрогеном в озерах и реках, которое связано с мужским бесплодием. Исследователи клонировали гены, чувствительные к эстрогену, и ввели их в оплодотворенные яйца данио-рерио. Модифицированная рыба становилась зеленой, если ее помещали в воду, загрязненную эстрогеном. [6]
В 2015 году исследователи из Университета Брауна обнаружили, что 10% генов данио-рерио не нуждаются в белке U2AF2 для инициирования сплайсинга РНК . Эти гены имеют пары оснований ДНК AC и TG в качестве повторяющихся последовательностей на концах каждого интрона . На 3'ss (3'-сайт сплайсинга) пары оснований аденин и цитозин чередуются и повторяются, а на 5'ss (5'-сайт сплайсинга) их комплементы тимин и гуанин также чередуются и повторяются. Они обнаружили, что зависимость от белка U2AF2 была меньше, чем у людей, у которых этот белок необходим для процесса сплайсинга. Модель повторяющихся пар оснований вокруг интронов, которая изменяет вторичную структуру РНК, была обнаружена у других костистых , но не у четвероногих . Это указывает на то, что эволюционные изменения у четвероногих могли привести к тому, что люди стали полагаться на белок U2AF2 для сплайсинга РНК, в то время как эти гены у данио-рерио подвергаются сплайсингу независимо от присутствия белка. [90]
У D. rerio есть три трансферрина , все из которых тесно связаны с другими позвоночными . [91]
При спаривании близких родственников потомство может демонстрировать пагубные эффекты инбридинговой депрессии . Инбридинговая депрессия преимущественно вызвана гомозиготной экспрессией рецессивных вредных аллелей. [92] Для данио-рерио инбридинговая депрессия может быть более серьезной в стрессовых условиях, включая те, которые вызваны антропогенным загрязнением . Воздействие на данио-рерио экологического стресса, вызванного химическим веществом клотримазол, имидазольным фунгицидом, используемым в сельском хозяйстве, ветеринарии и медицине, усилило влияние инбридинга на ключевые репродуктивные признаки. [93] Жизнеспособность эмбрионов была значительно снижена у инбридинговых рыб, и у инбридинговых самцов наблюдалась тенденция давать меньше потомства.
Рыбы данио-рерио являются распространенными моделями для исследований в области рыбоводства , включая патогены [94] [95] [96] и паразиты [94] [96], вызывающие потерю урожая или распространяющиеся на соседние дикие популяции.
Эта полезность меньше, чем могла бы быть из-за таксономической удаленности данио от наиболее распространенных видов аквакультуры. [ 95] Поскольку наиболее распространенными являются лососевые и треска в Protacanthopterygii и морской окунь , морской лещ , тилапия и камбала в Percomorpha , результаты для данио-рерио могут быть не совсем применимы. [95] Различные другие модели — золотая рыбка ( Carassius auratus ), оризиас ( Oryzias latipes ), колюшка ( Gasterosteus aculeatus ), плотва ( Rutilus rutilus ), иглобрюх ( Takifugu rubripes ), меченосец ( Xiphophorus hellerii ) — обычно используются реже, но были бы ближе к конкретным целевым видам. [96]
Единственным исключением являются карп (включая белого амура, Ctenopharyngodon idella ) [95] и молочная рыба ( Chanos chanos ) [96] , которые довольно близки, оба относятся к карповым . Однако следует также отметить, что данио последовательно оказывается полезной моделью для млекопитающих во многих случаях, и между ними существует значительно большее генетическое расстояние , чем между данио и любой рыбой, выращиваемой на фермах. [95]
У мутанта с дефектом глюкокортикоидного рецептора и сниженным исследовательским поведением флуоксетин восстановил нормальное исследовательское поведение. [ 97] Это демонстрирует связь между глюкокортикоидами, флуоксетином и исследовательским поведением у этой рыбы. [97]
Рыба данио-рерио использовалась в качестве модели для изучения путей восстановления ДНК. [98] Эмбрионы видов рыб, оплодотворенных извне, таких как рыба данио-рерио, во время своего развития напрямую подвергаются воздействию условий окружающей среды, таких как загрязняющие вещества и активные формы кислорода , которые могут вызвать повреждение их ДНК . [98] Чтобы справиться с такими повреждениями ДНК, во время развития экспрессируется множество различных путей восстановления ДНК . [98] В последние годы рыба данио-рерио оказалась полезной моделью для оценки загрязняющих веществ окружающей среды, которые могут вызвать повреждение ДНК. [99]
Рыба данио-рерио и личинка рыбы данио-рерио являются подходящим модельным организмом для открытия и разработки лекарств. Как позвоночное с 70% генетической гомологией с людьми, [78] оно может предсказывать здоровье и болезни человека, в то время как его небольшой размер и быстрое развитие облегчают эксперименты в большем и более быстром масштабе, чем при более традиционных исследованиях in vivo , включая разработку высокопроизводительных автоматизированных инструментов расследования. [100] [101] Как показали текущие исследовательские программы, модель рыбы данио-рерио позволяет исследователям не только идентифицировать гены, которые могут лежать в основе заболеваний человека, но и разрабатывать новые терапевтические агенты в программах открытия лекарств. [102] Эмбрионы рыбы данио-рерио оказались быстрой, экономически эффективной и надежной моделью тератологического анализа. [103]
Скрининг лекарств у данио-рерио может использоваться для идентификации новых классов соединений с биологическими эффектами или для повторного использования существующих лекарств для новых целей; примером последнего может быть скрининг, который обнаружил, что обычно используемый статин ( розувастатин ) может подавлять рост рака простаты . [104] На сегодняшний день было проведено 65 скринингов малых молекул, и по крайней мере один из них привел к клиническим испытаниям. [105] В рамках этих скринингов еще предстоит решить множество технических проблем, включая различные скорости абсорбции лекарств, приводящие к уровням внутреннего воздействия, которые нельзя экстраполировать из концентрации воды, и высокие уровни естественных колебаний между отдельными животными. [105]
Для понимания эффектов лекарств внутреннее воздействие лекарств имеет важное значение, поскольку оно управляет фармакологическим эффектом. Перенос экспериментальных результатов с данио-рерио на высших позвоночных (например, людей) требует соотношений концентрация-эффект, которые могут быть получены из фармакокинетического и фармакодинамического анализа. [4] Однако из-за его небольшого размера очень сложно количественно оценить внутреннее воздействие лекарств. Традиционно берутся множественные образцы крови, чтобы охарактеризовать профиль концентрации лекарств с течением времени, но этот метод еще предстоит разработать. На сегодняшний день разработана только одна фармакокинетическая модель для парацетамола на личинках данио-рерио. [106]
Используя интеллектуальные методы анализа данных, патофизиологические и фармакологические процессы могут быть поняты и впоследствии переведены на высших позвоночных, включая людей. [4] [107] Примером является использование системной фармакологии , которая является интеграцией системной биологии и фармакометрии . Системная биология характеризует (часть) организма с помощью математического описания всех соответствующих процессов. Это могут быть, например, различные пути передачи сигнала, которые при определенном сигнале приводят к определенному ответу. Количественно оценивая эти процессы, можно понять и предсказать их поведение в здоровой и болезненной ситуации. Фармакометрия использует данные доклинических экспериментов и клинических испытаний для характеристики фармакологических процессов, которые лежат в основе связи между дозой препарата и его ответом или клиническим результатом. Это может быть, например, абсорбция препарата в организме или его выведение из организма или его взаимодействие с целью для достижения определенного эффекта. Количественно оценивая эти процессы, можно понять и предсказать их поведение после разных доз или у разных пациентов для новых доз или пациентов. Объединяя эти две области, системная фармакология имеет потенциал для улучшения понимания взаимодействия препарата с биологической системой посредством математической количественной оценки и последующего прогнозирования новых ситуаций, таких как новые препараты или новые организмы или пациенты. Используя эти вычислительные методы, ранее упомянутый анализ внутреннего воздействия парацетамола на личинок данио рерио показал разумную корреляцию между клиренсом парацетамола у данио рерио и у высших позвоночных, включая людей. [106]
Рыбки данио-рерио использовались для создания нескольких трансгенных моделей рака, включая меланому , лейкемию , рак поджелудочной железы и гепатоцеллюлярную карциному . [108] [109] Рыбки данио-рерио, экспрессирующие мутировавшие формы онкогенов BRAF или NRAS, развивают меланому при помещении на дефицитный фон p53. Гистологически эти опухоли сильно напоминают болезнь человека, полностью трансплантируемы и демонстрируют масштабные геномные изменения. Модель меланомы BRAF использовалась в качестве платформы для двух скринингов, опубликованных в марте 2011 года в журнале Nature . В одном исследовании модель использовалась в качестве инструмента для понимания функциональной важности генов, которые, как известно, усиливаются и сверхэкспрессируются в меланоме человека. [110] Один ген, SETDB1, заметно ускорил образование опухоли в системе рыбок данио-рерио, продемонстрировав его важность как нового онкогена меланомы. Это было особенно важно, поскольку известно, что SETDB1 участвует в эпигенетической регуляции, которая все чаще рассматривается как центральная в биологии опухолевых клеток.
В другом исследовании была предпринята попытка терапевтически воздействовать на генетическую программу, присутствующую в исходной клетке нервного гребня опухоли, используя подход химического скрининга. [111] Это показало, что ингибирование белка DHODH (малой молекулой, называемой лефлуномид) предотвращало развитие стволовых клеток нервного гребня, которые в конечном итоге приводят к меланоме, посредством вмешательства в процесс транскрипционной элонгации . Поскольку этот подход будет направлен на «идентичность» клетки меланомы, а не на отдельную генетическую мутацию, лефлуномид может быть полезен при лечении меланомы человека. [112]
В сердечно-сосудистых исследованиях данио-рерио использовалось для моделирования модели инфаркта миокарда человека. Сердце данио-рерио полностью восстанавливается примерно через 2 месяца после травмы без образования рубцов. [113] Механизм альфа-1-адренергической сигнализации, участвующий в этом процессе, был идентифицирован в исследовании 2023 года. [114] Данио-рерио также используется в качестве модели для свертывания крови , развития кровеносных сосудов и врожденных заболеваний сердца и почек . [115]
В программах исследований острого воспаления , основного процесса, лежащего в основе многих заболеваний, исследователи создали модель воспаления на основе зебры и его разрешения. Этот подход позволяет подробно изучать генетический контроль воспаления и возможность выявления потенциальных новых лекарств. [116]
Рыба данио-рерио широко использовалась в качестве модельного организма для изучения врожденного иммунитета позвоночных. Врожденная иммунная система способна к фагоцитарной активности через 28–30 ч после оплодотворения (hpf) [117] , тогда как адаптивный иммунитет не становится функционально зрелым по крайней мере до 4 недель после оплодотворения. [118]
Поскольку иммунная система у данио рерио и людей относительно консервативна, многие инфекционные заболевания человека можно моделировать у данио рерио. [119] [120] [121] [122] Прозрачные ранние стадии жизни хорошо подходят для визуализации in vivo и генетического анализа взаимодействий хозяин-патоген. [123] [124] [125] [126] Модели данио рерио для широкого спектра бактериальных, вирусных и паразитарных патогенов уже были созданы; например, модель данио рерио для туберкулеза дает фундаментальное понимание механизмов патогенеза микобактерий. [127] [128] [129] [130] Кроме того, была разработана роботизированная технология для высокопроизводительного скрининга противомикробных препаратов с использованием моделей инфекций данио рерио. [131] [132]
Другой примечательной характеристикой данио-рерио является то, что он обладает четырьмя типами колбочек , причем клетки, чувствительные к ультрафиолету, дополняют красные, зеленые и синие подтипы колбочек, обнаруженные у людей. Таким образом, данио-рерио может наблюдать очень широкий спектр цветов. Вид также изучается, чтобы лучше понять развитие сетчатки; в частности, как колбочки сетчатки выстраиваются в так называемую «колбочную мозаику». Данио-рерио, в дополнение к некоторым другим костистым рыбам, особенно известны своей чрезвычайной точностью расположения колбочек. [133]
Это исследование характеристик сетчатки данио рерио также было экстраполировано в медицинское исследование. В 2007 году исследователи из Университетского колледжа Лондона вырастили тип взрослых стволовых клеток данио рерио , обнаруженных в глазах рыб и млекопитающих, которые развиваются в нейроны сетчатки. Их можно было бы вводить в глаз для лечения заболеваний, которые повреждают нейроны сетчатки — почти всех заболеваний глаз, включая дегенерацию желтого пятна , глаукому и слепоту, связанную с диабетом . Исследователи изучали глиальные клетки Мюллера в глазах людей в возрасте от 18 месяцев до 91 года и смогли развить их во все типы нейронов сетчатки. Они также смогли легко вырастить их в лаборатории. Стволовые клетки успешно мигрировали в сетчатку больных крыс и приняли характеристики окружающих нейронов. Команда заявила, что они намерены разработать тот же подход для людей. [134] [135]
Мышечные дистрофии (МД) представляют собой гетерогенную группу генетических нарушений, которые вызывают мышечную слабость, аномальные сокращения и мышечную атрофию, что часто приводит к преждевременной смерти. Зебрафиш широко используется в качестве модельного организма для изучения мышечных дистрофий. [44] Например, мутант sapje ( sap ) является ортологом мышечной дистрофии Дюшенна (МДД) у зебрфиш. [136] Мачука-Цили и соавторы использовали зебрфиш для определения роли альтернативного фактора сплайсинга, MBNL, в патогенезе миотонической дистрофии типа 1 (МД1). [137] Совсем недавно Тодд и соавторы описали новую модель зебрфиш, разработанную для изучения влияния экспрессии повторов CUG на раннем этапе развития заболевания МД1. [138] Зебрафиш также является превосходной животной моделью для изучения врожденных мышечных дистрофий, включая ВМД типа 1 А (ВМД 1А), вызванную мутацией в гене человеческого ламинина α2 (LAMA2). [139] Зебрафиш, благодаря своим преимуществам, обсуждавшимся выше, и, в частности, способности эмбрионов зебрафиш поглощать химические вещества, стал предпочтительной моделью для скрининга и тестирования новых препаратов против мышечных дистрофий. [140]
Рыбки данио-рерио использовались в качестве модельных организмов для изучения метаболизма костей, оборота тканей и резорбционной активности. Эти процессы в значительной степени эволюционно консервативны. Их использовали для изучения остеогенеза (формирования костей), оценки дифференциации, активности отложения матрицы и перекрестных помех скелетных клеток, для создания и выделения мутантов, моделирующих заболевания костей человека, и для тестирования новых химических соединений на способность устранять дефекты костей. [141] [142] Личинки могут использоваться для отслеживания нового ( de novo ) образования остеобластов во время развития костей. Они начинают минерализовать элементы кости уже через 4 дня после оплодотворения. В последнее время взрослых рыбок данио-рерио используют для изучения сложных возрастных заболеваний костей, таких как остеопороз и несовершенный остеогенез . [143] (Эласмоидные) чешуйки рыбок данио-рерио выполняют функцию защитного внешнего слоя и представляют собой небольшие костные пластинки, образованные остеобластами. Эти экзоскелетные структуры образуются путем отложения остеобластов в костной матрице и ремоделируются остеокластами. Чешуя также выступает в качестве основного хранилища кальция у рыб. Их можно культивировать ex-vivo (сохранять живыми вне организма) в многолуночном планшете, что позволяет манипулировать лекарствами и даже проводить скрининг новых лекарств, которые могут изменить метаболизм костей (между остеобластами и остеокластами). [143] [144] [145]
Развитие поджелудочной железы данио-рерио очень гомологично млекопитающим, таким как мыши. Сигнальные механизмы и способ функционирования поджелудочной железы очень похожи. Поджелудочная железа имеет эндокринный отдел, который содержит множество клеток. Панкреатические PP-клетки, которые вырабатывают полипептиды, и β-клетки, которые вырабатывают инсулин, являются двумя примерами таких клеток. Эта структура поджелудочной железы, наряду с системой гомеостаза глюкозы, полезна для изучения заболеваний, таких как диабет, которые связаны с поджелудочной железой. Модели для функции поджелудочной железы, такие как флуоресцентное окрашивание белков, полезны для определения процессов гомеостаза глюкозы и развития поджелудочной железы. Тесты на толерантность к глюкозе были разработаны с использованием данио-рерио и теперь могут использоваться для тестирования на непереносимость глюкозы или диабет у людей. Функция инсулина также проверяется на данио-рерио, что внесет дополнительный вклад в медицину для человека. Большая часть работы, проделанной вокруг знаний о гомеостазе глюкозы, была получена в результате работы с данио-рерио, перенесенной на людей. [146]
Рыбки данио-рерио использовались в качестве модельной системы для изучения ожирения, с исследованиями как генетического ожирения, так и ожирения, вызванного избыточным питанием. У рыбок данио-рерио с ожирением, как и у млекопитающих с ожирением, наблюдается нарушение регуляции липидных контролирующих метаболических путей, что приводит к увеличению веса без нормального липидного метаболизма. [146] Также, как и млекопитающие, рыбки данио-рерио хранят избыток липидов в висцеральных, внутримышечных и подкожных жировых отложениях. Эти и другие причины делают рыбок данио-рерио хорошими моделями для изучения ожирения у людей и других видов. Генетическое ожирение обычно изучается у трансгенных или мутировавших рыбок данио-рерио с генами, способствующими ожирению. Например, трансгенные рыбки данио-рерио с повышенной экспрессией AgRP, эндогенного антагониста меланокортина, показали повышенную массу тела и отложение жира во время роста. [146] Хотя гены рыбок данио-рерио могут не совпадать с генами человека, эти тесты могут дать важную информацию о возможных генетических причинах и методах лечения генетического ожирения человека. [146] Модели ожирения, вызванного диетой, на данио-рерио полезны, поскольку диету можно изменять с самого раннего возраста. Диеты с высоким содержанием жиров и диеты с общим перекармливанием показывают быстрое увеличение отложения жира, увеличение ИМТ, гепатостеатоз и гипертриглицеридемию. [146] Однако особи с нормальным содержанием жира и перекормленные особи по-прежнему метаболически здоровы, в то время как особи с высоким содержанием жиров — нет. [146] Понимание различий между типами ожирения, вызванного кормлением, может оказаться полезным при лечении ожирения у людей и связанных с ним заболеваний. [146]
Рыбки данио-рерио использовались в качестве модельной системы в исследованиях экологической токсикологии . [29]
Зебрафиш использовалась в качестве модельной системы для изучения эпилепсии. Припадки млекопитающих можно воспроизвести молекулярно, поведенчески и электрофизиологически, используя лишь часть ресурсов, необходимых для экспериментов на млекопитающих. [147]