Раирана зебра - лабораторен модел за почти всички случаи
Учените отдавна са заети с търсенето на лабораторни модели, които биха позволили да се възпроизвеждат генетични, биохимични, физиологични и други процеси, протичащи в човешкото тяло с висока надеждност. Разбирането на тези процеси би позволило да се разберат в детайли механизмите, които осигуряват човешкия живот и развитие, като се започне от най-ранните ембрионални стадии. Това от своя страна би могло да послужи като ключ към разгадаването на причините за развитието на вродени и придобити заболявания и разработването на ефективни методи за тяхното лечение и профилактика.
Първото живо същество, използвано като лабораторен модел, е легендарната плодова мушица Drosophila. С негова помощ са открити основните генетични модели на генното наследство. Други представители на безгръбначните, които са направили осезаем принос за развитието на науката, са кръглите червеи от вида Caenorhabditis elegans. Но нито едното, нито другото не може да задоволи нуждите на изследователите, тъй като сходството им с хората и другите гръбначни животни се свежда главно до сходството на процесите, протичащи на клетъчно и биохимично ниво.
Въпреки това, в началото на 70-те години на миналия век в арсенала на учените се появи нов лабораторен модел - това е рибата Brachydanio rerio, или раирана риба зебра (известна в английската литература като "zebrafish"). Тази малка раирана рибка, принадлежаща към семейство Cyprinidae, живее в прясна вода на бавно течащи реки и оризови плантации в Източна Индия и Бирма, също така е известна на любителите на аквариумни рибки по света като много непретенциозен домашен любимец.
Първият, който оцени предимствата на раираната риба зебра като лабораторен модел, беше д-р Джордж Стрейзингер (1927-1984 г.)от Университета на Орегон. Оттогава тази риба набира все по-голяма популярност сред специалистите в различни области на биологичните науки и с изучаването на нейния геном и разработването на нови изследователски подходи позволява на учените да правят все повече и повече нови открития (вижте например статиите „Иновативни решения при лечението на онкологични заболявания“, „Ивицата зебра ще помогне при изследването на рака“, „Ако искате да промените цвета на кожата, вземете хапче“.
Първото и много важно предимство на раираната риба данио е принадлежността й към гръбначните животни, което предполага много по-голямо сходство на някои нейни биологични характеристики с човешките, отколкото е характерно за гореспоменатите плодови мушици и нематоди. Неговото предимство е очевидно за изучаване на процесите на функциониране на гените, развитието на организма, анатомични, физиологични и поведенчески характеристики.
Разбира се, мишките, като представители на бозайници, са по-адекватен и често незаменим модел за изучаване на процесите, протичащи в човешкото тяло, но в допълнение към евтиността и лекотата на отглеждане на раирани рибки зебра, има редица причини, поради които в някои случаи изследователите ги предпочитат.
След всяко чифтосване женската риба зебра снася огромен брой яйца. Това ви позволява да наблюдавате едновременно голям брой ембриони на различни етапи на развитие, което е необходимо за установяване на последствията от определена мутация при извършване на определени видове генетични анализи. След оплождането ембрионите се развиват извън тялото на женската и са достъпни за всякакви физически манипулации. За сравнение, за да се получи ембрион на мишка, е необходимо да се убие женската, което води до смъртта на самия ембрион, което значително ограничававъзможности за изучаването му. Ембрионът на зебрата се превръща в малка, но микроскопично видима риба още 24 часа след оплождането, за мишките съответният период е 21 дни. И може би най-впечатляващата характеристика е прозрачността на ембриона. Това дава уникална възможност да се наблюдава развитието както на целия ембрион и съставните му органи, така и на отделни клетки, тяхното делене и миграция.
Всичко по-горе прави раираната риба зебра отличен модел за изучаване на генетиката и развитието не само на рибите, но и на всички гръбначни животни, включително хората. Гледайки през микроскоп, изследователите наблюдават процеса на трансформация на оплодената яйцеклетка в цял организъм. С помощта на специални багрила те могат да проследят деленето на всяка клетка на ембриона поотделно. И скоростта на неговото развитие позволява в рамките на 2-4 дни да се получи представа за процеса на формиране на очите, сърцето, черния дроб, стомаха, кожата, перките и други органи до появата на пълноценен организъм (микрофилми и слайдове, демонстриращи развитието на ембриона и други процеси, протичащи в тялото на раираната зебра, са достъпни на уебсайта на Microscope Imaging Station).
В зависимост от целта на изследването учените извършват различни манипулации с развиващия се ембрион. Например, те преместват една от клетките от едно място на друго и наблюдават нейното по-нататъшно развитие: ще образува ли онази част от тялото, която е резултат от нейното делене в непокътнати ембриони, или ще промени първоначалното си предназначение. Друг подход е да се премахне или унищожи клетка и да се види какъв ефект ще има това върху развиващия се организъм. По този начин изследователите се опитват да разберат причините и механизмите, водещи до развитиетовродени дефекти и може би да научите как да предотвратите появата им.
За да се изследват функциите на мутантните гени, отделни клетки или групи от клетки, съдържащи мутация в техния геном, се трансплантират в нормално развиващ се ембрион. В този случай учените получават възможност да наблюдават функционирането на протеина - продукт на увреден ген - в тялото. За изследване на рецесивните мутации се използва друга техника - дефектно оплождане. В този случай спермата е изложена на ултравиолетово лъчение, което води до разрушаване на хромозомите. В резултат на това ембрионът, получен по време на оплождането, съдържа само майчиния набор от гени.
Danio също е много удобен обект за генетичен анализ. В този случай образуването на мутации се индуцира в генома на рибата с помощта на различни методи. Мутацията - промяна в ДНК последователността - води до синтеза на патологичен протеин, който често води до нарушаване на определен биологичен процес. Разбирането какво се случва, когато даден протеин е повреден, води до по-добро разбиране на ролята на неговия оригинален вариант в клетката. Понякога генна мутация води до развитие на патологични състояния при зебрата, подобни на човешките заболявания. В този случай намирането на участващия ген и сравняването му с еквивалента, открит в човешкия геном, разкрива причината за заболяването.
За възпроизвеждане на човешки заболявания, като например Т-клетъчна левкемия, и за изследване на процесите, протичащи в тях, е възможно да се използва друг подход - създаването на трансгенни риби, тоест вмъкването на ген с желани свойства в техните хромозоми. Използвайки същия метод, можете да изследвате характеристиките на функционирането на различни системи на тялото. Например заизследванията на кръвоносната система използват трансгенни риби зебра с флуоресцентни кръвоносни съдове.
Тайвански изследователи решиха да зарадват акваристите и трансплантираха гена на медузите в рибите, което ги накара да флуоресцират в зелено. Такива риби бяха наречени "Нощна перла" (Night Pearl) и веднага спечелиха успех с купувачите. Вярно е, че скоро по искане на екологични организации, които се опасяват, че химерната раса на зебрата, ако се кръстоса с естествени двойници, ще наруши екологичния баланс, рибата, която се продава, трябваше да бъде стерилизирана. Това обаче не попречи на учените да се опитат да оцветят допълнително рибата зебра. С помощта на ген от един от морските корали успяват да накарат рибката да флуоресцира едновременно в два цвята – зелен и червен.
Това са само част от възможностите, които раираните риби зебра отварят пред изследователите, и тъй като техният геном се дешифрира и се разработват нови изследователски методи, обхватът на тези риби като лабораторен модел непрекъснато се разширява. Експертите смятат, че днес приносът на раираната риба зебра към биологичната наука може да се сравни с приноса на наскоро открит 15-годишен талант, който след известно време и при условие че инвестира достатъчно средства и усилия в развитието на своите природни данни, ще може да достигне невероятни висоти.