- Троицкий вариант — Наука - https://trv-science.ru -

Зебраданио потеснили мышей и дрозофил в биомедицине

Алан Калуев

Алан Калуев


Константин Демин

Константин Демин

Популярная среди аквариумистов рыбка зебраданио (Danio rerio, англ. zebrafish), получившая свое название благодаря полосатой окраске, в последние годы стала эффективной моделью в генетике, молекулярной биологии, эмбриологии, фармакологии и — совсем недавно — в нейробиологии. Впервые этим организмом как лабораторным объектом заинтересовался в 1960-х годах американский биолог Джордж Стрейзингер (George Streisinger).

Использование зебраданио как модельного организма (т. е. организма, с помощью которого можно моделировать биологические процессы) имеет множество преимуществ, включая удобство генетических манипуляций, а также свойственные этим рыбам наружное оплодотворение, ускоренное развитие, высокую фертильность и маленький размер (примерно 2,5–3,0 см во взрослом состоянии). Кроме того, они недороги и весьма просты в содержании и разведении в лабораторных условиях (рис. 1).

Рис. 1. Зебраданио как модельный организм в биомедицинских исследованиях

Рис. 1. Зебраданио как модельный организм в биомедицинских исследованиях

Основные органы у зебраданио развиваются в течение пяти дней после оплодотворения, а уже через три месяца после рождения рыбка способна к репродукции — всё это указывает на высокую скорость развития организма. В то же время зебраданио живут дольше, чем мыши (в среднем от четырех до пяти лет против трех). Следовательно, они могут служить отличным и экономным объектом для изучения биологии старения.

Эмбрионы и мальки зебраданио прозрачны, что позволяет проследить различные стадии развития под микроскопом. Это особенно важно для оптогенетического подхода, а также для визуализации генетических профилей экспрессии in vivo. Также существует мутантная линия каспер (casper), которая прозрачна даже во взрослом возрасте, что значительно упрощает генетические, анатомические и физиологические манипуляции с этими рыбками.

Одной из важных особенностей биологии костных рыб является то, что они пережили дополнительный раунд дупликации генома. У зебраданио такие гены-дупликаты могут оказаться как функциональными, так и нет, и даже нести в себе новые, нехарактерные для копируемого гена функции. Присутствие нескольких копий одного и того же гена также делает возможным изучать у зебраданио нокауты тех генов, которые жизненно необходимы для человека и мыши и представлены у них лишь одной копией.

На данный момент генетика зебраданио изучена очень хорошо, и их секвенированный геном содержит 26 206 генов, кодирующих белки, в том числе 71,4% ортологов (т. е. гомологичных генов филогенетически родственных организмов, разошедшихся в процессе видообразования) человеческих генов и 82% генов, ассоциирующихся с различными заболеваниями человека. Фармакологические эффекты и мишени также очень похожи (совпадают примерно на 85–90% у зебраданио, грызунов и человека), поскольку генетическое сходство обычно более выражено в активных сайтах энзимов, каналов и рецепторов (рис. 2). Например, связывающие лиганды участки глюкокортикоидных рецепторов в целом человека и зебраданио идентичны на 74%, тогда как сами рецепторы — всего на 50%.

Рис. 2. Суммарная полезность зебраданио в биомедицине превышает суммарную полезность других традиционных объектов — дрозофил и мышей (по данным McCammon J.M. and Sive H. Addressing the Genetics of Human Mental Health Disorders in Model Organisms. 2015, Vol. 16, 173–197, с модификациями)

Рис. 2. Суммарная полезность зебраданио в биомедицине превышает суммарную полезность других традиционных объектов — дрозофил и мышей (по данным McCammon J.M. and Sive H. Addressing the Genetics of Human Mental Health Disorders in Model Organisms. 2015, Vol. 16, 173–197, с модификациями)

Зебраданио демонстрируют высокое физиологическое сходство с человеком в таких важных системах, как метаболическая, кроветворная, сердечно-сосудистая и нервная. Столь большое сходство (гомология) позволяет использовать зебраданио для широкого спектра практических задач, например для создания экспериментальных (животных) моделей диабета, онкогенеза, васкуляризации или инфакта, а также для скрининга новых препаратов in vivo. Нейрохимические системы человека и зебраданио также поражают своим сходством, и, несмотря на очевидные различия в организации ЦНС, зебраданио имеет много структур, функционально и морфологически сходных со многими зонами мозга грызунов и человека.

Сегодня зебраданио активно используются в нейробиологии благодаря выраженному (и одновременно достаточно сложному) поведению как мальков, так и взрослых рыб. Например, как и люди, зебраданио проявляют выраженный поведенческий и физиологический стресс-ответ под действием гормона кортизола. За счет этого на основе поведения рыбок активно создаются модели тревожно-депрессивных расстройств и их фармакологической коррекции [1–6].

В то же время высокая социабельность зебраданио (более 90% времени они проводят в группах) позволяет использовать их для создания генетических и фармакологических моделей аутизма. Нейробиология зебраданио особенно активно изучается в последние годы. В результате этого появилось множество валидных моделей заболеваний мозга — психозов, гиперактивности, когнитивных нарушений, токсидромов, эпилепсии и нейродегенерации (болезней Паркинсона и Альцгеймера), а также стал возможен скрининг фармакологических препаратов для соответствующей терапии.

Исследования, проводимые с 2008 года на зебраданио в нашей лаборатории, показывают, что многие комплексные поведенческие и психологические черты, которые раньше приписывались только животным с высокоорганизованной нервной системой, хорошо развиты и могут наблюдаться у зебраданио. Так, рыбы, подвергнутые длительному стрессу, не только демонстрируют развитие стойкого тревожного поведения и других поведенческих признаков расстройств настроения, но и претерпевают различные биохимические изменения, ассоциирующиеся с тревогой и депрессией как у людей, так и у грызунов [1]. Например, длительное стрессирование повышает уровень гормона стресса кортизола, а также нарушает баланс цитокинов — важных иммунных регуляторов как у человека и грызунов, так и у зебраданио [1]. Важно, что данные явления у зебраданио снимаются приемом антидепрессантов — препаратов, снижающих эффекты стресса и в клинике [1].

Зебраданио

Зебраданио

Действие антидепрессантов также рассматривалось нашей лабораторией в контексте серотонинового синдрома — патологического состояния, вызываемого «передозировкой» серотониновых антидепрессантов, которое недавно было нами впервые описано у зебраданио [2, 3]. Среди других серьезных заболеваний мозга, связанных с приемом фармакологических препаратов, нами на зебраданио были изучены зависимость и синдром отмены, которые стали в наше время актуальной клинической проблемой и возникают как вследствие злоупотребления наркотиками, так и в ходе лечения [4, 5].

Наконец, мы активно изучаем воздействие на зебраданио психоактивных веществ, в том числе таких мощных галлюциногенов, как ЛСД, кетамин, фенциклидин, ибогаин, МДМА (экстази), сальвинорин А и их аналоги [5–9]. Почти все они на зебраданио были нами протестированы впервые в мире. Все изученные препараты этого спектра показали выраженную способность вызывать у зебраданио аномальное поведение и физиологические ответы, ассоциирующиеся с галлюцино-геноподобными состояниями человека. Эти работы с использованием зебраданио крайне важны как с точки зрения поиска новых психотропных препаратов (путем скрининга вновь синтезируемых молекул в эффективных и недорогих животных тестах), так и с точки зрения создания новых экспериментальных моделей заболеваний человека, вызванных фармакологическими агентами (так называемых токсидромов).

В недавнем обстоятельном анализе, опубликованном в Annual Review of Genomics and Human Genetics, пожалуй, наиболее аргументированно излагаются преимущества использования зебраданио в современной биомедицине (рис. 2). Если сравнить беспозвоночных (Drosophila), рыб зебраданио и мышей — наиболее распространенные обьекты исследования в лабораториях — по различным критериям, от сходства их биологии с другими организмами до затратности опытов с ними, получается, что суммарная полезность зебраданио превышает таковую у мышей и у дрозофил. К сожалению, как модель зебраданио только начинает свое «плавание» в российских лабораториях.

В частности, из более чем 30 тыс. биомедицинских статей о зебраданио в Pubmed на долю России сегодня приходится всего порядка ста публикаций (рис. 3). Тем не менее ситуация несколько меняется в последние годы, поскольку акватические лаборатории уже созданы в ведущих российских вузах (СПбГУ, МГУ, УРФУ) и академических институтах страны. На наш взгляд, было бы крайне целесообразно проводить и дальше самую активную работу в России по внедрению зебраданио в передовые научные исследования по биологии и медицине.

Рис. 3. Число статей в базе данных Pubmed (на декабрь 2017 года), использующих зебраданио (по странам). В России (*) опубликовано всего порядка ста статей. Пунктирная красная линия отображает общую динамику резкого роста числа публикаций по зебраданио за последние годы. Круговая диаграмма показывает нормированный прирост числа публикаций за последние 10 лет по различным модельным объектам. Отметим, что именно зебраданио демонстрирует максимальную динамику прироста среди всех других модельных организмов в биомедицине (по материалам доклада проф. А. В. Калуева на ученом совете СПбГУ 25 сентября 2017 года, см. онлайн www.youtube.com/watch?v=fM5GuIfvIX0)

Рис. 3. Число статей в базе данных Pubmed (на декабрь 2017 года), использующих зебраданио (по странам). В России (*) опубликовано всего порядка ста статей. Пунктирная красная линия отображает общую динамику резкого роста числа публикаций по зебраданио за последние годы. Круговая диаграмма показывает нормированный прирост числа публикаций за последние 10 лет по различным модельным объектам. Отметим, что именно зебраданио демонстрирует максимальную динамику прироста среди всех других модельных организмов в биомедицине (по материалам доклада проф. А. В. Калуева на ученом совете СПбГУ 25 сентября 2017 года, см. онлайн www.youtube.com/watch?v=fM5GuIfvIX0)

Алан Калуев, нейробиолог и фармаколог, профессор СПбГУ
Константин Демин, аспирант СПбГУ

Об авторах:

А. В. Калуев, PhD, специалист в области нейробиологии, биологической психиатрии и нейрофармакологии, профессор и зав. лабораторией биологической психиатрии Института трансляционной биомедицины Санкт-Петербургского государственного университета, вед. науч. сотр. Уральского федерального университета, Института физиологии и фундаментальной медицины СО РАН, профессор факультета фармацевтики Юго-Западного университета (Китай).

К. А. Демин — аспирант СПбГУ, исследователь Института экспериментальной медицины ФГБУ НМИЦ им. В. А. Алмазова Минздрава России.

1. Song C., et al. Modeling consequences of prolonged strong unpredictable stress in zebrafish: Complex effects on behavior and physiology // Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry, 2018. 81. P. 384–394.

2. Kolesnikova T. O., et al. Serotonin toxicity syndrome-like phenotype evoked in adult zebrafish by acute exposure to amitriptyline, a tricyclic serotonin/noradrenaline reuptake inhibitor // 8th Regional “Stress and Behavior” ISBS Conference, 2016. P. 27–28.

3. Stewart A. M., et al. Perspectives on experimental models of serotonin syndrome in zebrafish // Neurochem Int, 2013. 62 (6). P. 893–902.

4. Cachat J., et al. Modeling withdrawal syndrome in zebrafish // Behav Brain Res, 2010. 208 (2). P. 371–376.

5. Stewart A., et al. Zebrafish models to study drug abuse-related phenotypes // Rev Neurosci, 2011. 22 (1). P. 95–105.

6. Grossma L., et al. Characterization of behavioral and endocrine effects of LSD on zebrafish // Behav Brain Res, 2010. 214 (2). P. 277–284.

7. Riehl R., et al. Behavioral and physiological effects of acute ketamine exposure in adult zebrafish // Neurotoxicol Teratol, 2011. 33 (6). P. 658–667.

8. Cachat J., et al. Unique and potent effects of acute ibogaine on zebrafish: the developing utility of novel aquatic models for hallucinogenic drug research // Behav Brain Res, 2013. 236 (1). P. 258–269.

9. Stewart A., et al. Behavioral effects of MDMA (‘ecstasy’) on adult zebrafish // Behav Pharmacol, 2011. 22 (3). P. 275–280.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи