Полосатый данио – лабораторная модель почти на все случаи жизни

Ученые с давних времен заняты поисками лабораторных моделей, которые позволили бы с высокой достоверностью воспроизводить генетические, биохимические, физиологические и другие процессы, протекающие в человеческом организме. Понимание этих процессов позволило бы детально разобраться в механизмах, обеспечивающих жизнедеятельность человека и его развитие, начиная с самых ранних эмбриональных этапов. Это, в свою очередь, могло бы послужить ключом к разгадке причин развития врожденных и приобретенных заболеваний и разработке эффективных методов их лечения и предотвращения.

Самым первым живым существом, используемым в качестве лабораторной модели, является легендарная плодовая мушка-дрозофила (Drosophilia). С ее помощью были открыты основные генетические закономерности наследования генов. Другими представителями беспозвоночных, внесшими посильный вклад в развитие науки, являются круглые черви вида Caenorhabditis elegans. Однако ни те, ни другие не в состоянии удовлетворить потребности исследователей, так как их сходство с человеком и другими позвоночными сводится в основном к сходству процессов, протекающих на клеточном и биохимическом уровнях.

В поисках более подходящих объектов исследований ученые прибегали и продолжают прибегать к помощи различных животных: лягушек, собак, свиней, овец, кроликов, морских свинок, обезьян и, конечно же, крыс и мышей. Мыши, несомненно, являются самым востребованным лабораторным животным. Являясь, как и человек, млекопитающими, они, в то же время, быстро размножаются и затраты на их содержание относительно невелики.

Однако в начале 70-х годов прошлого столетия в арсенале ученых появилась новая лабораторная модель – это рыбка Brachydanio rerio, или полосатый данио (в англоязычной литературе известная как «zebrafish»). Эта небольшая полосатая рыбка, относящаяся к семейству карповых (Cyprinidae), обитает в пресной воде медленно текущих рек и рисовых плантаций Восточной Индии и Бирмы, она также известна любителям аквариумных рыб всего мира как весьма неприхотливый питомец.



Первым, кто по достоинству оценил преимущества полосатого данио как лабораторной модели, был доктор Джордж Штрайзингер (George Streisinger, 1927-1984) из университета штата Орегон. С тех пор эта рыбка завоевывает все большую и большую популярность среди специалистов разных направлений биологических наук и, по мере изучения ее генома и разработки новых исследовательских подходов, позволяет ученым делать все новые и новые открытия (см., например, статьи «Новаторские решения в терапии онкологических заболеваний», «Полосатый данио поможет в изучении рака», «Хочешь сменить цвет кожи – выпей пилюлю».


Первым и очень важным достоинством полосатого данио является его принадлежность к позвоночным, что позволяет предположить гораздо большее сходство некоторых его биологических характеристик с человеческими, чем это свойственно для упомянутых выше дрозофил и нематод. Очевидным является его преимущество для изучения процессов функционирования генов, развития организма, анатомических, физиологических и поведенческих особенностей.

Конечно, мыши, как представители млекопитающих, являются более адекватной и зачастую незаменимой моделью для изучения процессов, протекающих в организме человека, однако, кроме дешевизны и легкости содержания полосатых данио, существует еще целый ряд причин, по которым в ряде случаев исследователи предпочитают именно их.

После каждого спаривания самка данио откладывает огромное количество икринок. Это позволяет наблюдать за большим количеством эмбрионов, находящихся на разных стадиях развития, одновременно, что необходимо для установления последствий той или иной мутации при проведении определенных типов генетического анализа. После оплодотворения эмбрионы развиваются вне организма самки и доступны для любых физических манипуляций. Для сравнения, для получения мышиного эмбриона необходимо убить самку, что приводит к гибели и самого эмбриона, что существенно ограничивает возможности его изучения. Эмбрион данио превращается в крошечную, но различимую в микроскоп рыбку уже через 24 часа после оплодотворения, для мышей соответствующий период составляет 21 день. И, пожалуй, самой впечатляющей особенностью является прозрачность эмбриона. Это обеспечивает уникальную возможность наблюдать за развитием как всего эмбриона и составляющих его органов, так и за отдельными клетками, их делением и миграцией.



Все вышеперечисленное делает полосатого данио прекрасной моделью для изучения генетики и развития не только рыб, но и всех позвоночных, в том числе человека. Глядя в микроскоп, исследователи наблюдают процесс превращения оплодотворенной яйцеклетки в целый организм. С помощью специальных красителей они могут проследить за делением каждой клетки эмбриона по отдельности. А скорость его развития позволяет в течение 2-4 дней получить представление о процессе формирования глаз, сердца, печени, желудка, кожи, плавников и других органов вплоть до появления полноценного организма (микрофильмы и слайды, демонстрирующие развитие эмбриона и другие процессы, протекающие в организме полосатого данио, доступны на сайте Microscope Imaging Station).

В зависимости от цели исследования ученые проделывают с развивающимся эмбрионом различные манипуляции. Например, перемещают одну из клеток с одного места на другое и наблюдают за ее дальнейшим развитием: будет ли она формировать ту часть тела, которая является результатом ее деления в интактных эмбрионах, или изменит своему первоначальному предназначению. Другой подход заключается в удалении или разрушении какой-либо клетки и наблюдении за тем, какие последствия это будет иметь на развивающийся организм. Таким образом, исследователи пытаются разобраться в причинах и механизмах, приводящих к развитию врожденных дефектов, и возможно, научиться предотвращать их возникновение.

Для изучения функций мутантных генов отдельные клетки или группы клеток, содержащих в своем геноме мутацию, трансплантируются в нормальный развивающийся эмбрион. В этом случае ученые получают возможность наблюдать за функционированием белка – продукта того или иного поврежденного гена – в организме. Для изучения рецессивных мутаций используется другой прием – неполноценное оплодотворение. При этом сперма подвергается ультрафиолетовому облучению, вызывающему разрушение хромосом. В результате, полученный в процессе оплодотворения эмбрион содержит только материнский набор генов.

Данио является также очень удобным объектом для проведения генетического анализа. В этом случае в геноме рыбы с помощью различных методов индуцируется образование мутаций. Мутация – изменение последовательности ДНК – влечет за собой синтез патологического белка, что зачастую приводит к нарушению того или иного биологического процесса. Понимание того, что происходит при повреждении определенного белка, ведет к более полному пониманию роли его исходного варианта в клетке. Иногда мутация гена приводит к развитию у данио патологических состояний, подобных человеческим заболеваниям. В этом случае обнаружение задействованного гена и сравнение его с эквивалентом, содержащемся в человеческом геноме, позволяет обнаружить причину болезни.

Для воспроизведения человеческих заболеваний, таких, как, например, Т-клеточная лейкемия, и изучения протекающих при них процессов, возможно применение еще одного подхода – создание трансгенных рыбок, то есть встраивание в их хромосомы гена с заданными свойствами. С помощью этого же метода можно исследовать особенности функционирования различных систем организма. Например, для изучения кровеносной системы используют трансгенных данио с флуоресцирующими кровеносными сосудами.

Тайваньские же исследователи решили порадовать аквариумистов и пересадили рыбкам ген медузы, что заставило их флуоресцировать зеленым цветом. Такие рыбки получили название "Night Pearl" (Ночная Жемчужина) и сразу же завоевали успех у покупателей. Правда, вскоре, по требованию природоохранных организаций, опасающихся, что химерная раса данио, в случае скрещивания с природными собратьями, нарушит экологическое равновесие, поступающих в продажу рыбок пришлось подвергать стерилизации. Однако это не остановило ученых в попытках дальнейшего расцвечивания данио. С помощью гена одного из морских кораллов им удалось заставить рыбок флуоресцировать одновременно двумя цветами – зеленым и красным.



Это лишь некоторые возможности, открываемые перед исследователями полосатыми данио, и, по мере расшифровки их генома и разработки новых методов исследований, сфера применения этих рыбок в качестве лабораторной модели постоянно расширяется. Специалисты считают, что на сегодняшний день вклад, сделанный полосатым данио в биологическую науку, можно сравнить с вкладом недавно открытого 15-летнего дарования, которое, через некоторое время и при условии вложения достаточного количества средств и усилий в развитие его природных данных, сможет достичь невероятных высот.

Дополнительную информацию рекомендуем искать на сайтах Университета штата Орегон и The Zebrafish Information Network.

Евгения Рябцева
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru