Полосатые, прозрачные и светящиеся
Рыбки данио рерио попали в любительские, а затем и в лабораторные аквариумы из Гималайского региона. В дикой природе они живут в теплой свежей воде в ручьях, канавах, прудах, а также на рисовых полях в Индии, Пакистане, Непале, Бутане, Бангладеш. Эти маленькие рыбки (их средний размер 2–4 см) принадлежат к семейству карповых и имеют множество имен. В литературе можно встретить названия «данио», «данио рерио», «полосатый данио», «брахиданио-рерио», «дамский чулок». В англоязычных источниках их часто называют zebrafish (рыба-зебра), поскольку главной отличительной особенностью этих рыбок являются пять горизонтальных полос на каждой стороне тела, которые действительно напоминают полоски зебры.
Впрочем, с тех пор как за данио взялись генетики, их окрас стал значительно разнообразнее. Например, для лабораторных исследований вывели рыбок с прозрачной кожей и назвали этот вид Каспером в честь доброго приведения и мультфильма. А среди аквариумистов большой популярностью пользуются рыбки с леопардовым окрасом и трансгенные популяции GloFish – данио ярких цветов, которые светятся в темноте.
Точнее дрозофил, удобнее мышей
Хотя внешне люди очень сильно отличаются от рыбок-зебр, наша с ними генетическая структура удивительно похожа. Гены, ответственные за заболевания человека, часто имеют эквиваленты у данио. В целом у них присутствует примерно 70% человеческих генов. Для сравнения: у плодовых мушек – 60%, у мышей – 85%. Однако, с точки зрения исследователей, в качестве модельных организмов рыбки обладают целым рядом преимуществ.
Данио рерио в живой природе и в лабораторных аквариумах живут группами или косяками, из-за чего занимают мало места и обходятся значительно дешевле, чем мыши. Рыбки быстро растут, достигая полной зрелости всего за три месяца, и активно размножаются. Так, взрослая особь нерестится примерно каждые 10 дней, откладывая 50–300 икринок за раз. В то же время мыши могут принести в среднем три помета в течение жизни, в каждом из которых будет 5–10 мышат. А поскольку научные эксперименты, как правило, повторяются несколько раз, иметь животное, которое может производить большое количество потомков снова и снова, очень удобно.
Эмбрионы рыбок данио закладываются, оплодотворяются и развиваются отдельно от матери, что значительно облегчает различные манипуляции. Так, в уже оплодотворенных яйцеклетках можно легко изменить ДНК или РНК, «отключив» у рыбок определенные гены. Более того, исследователи могут сразу приобрести генетически измененных рыбок с признаками, которые хотят изучить. Например, вводя им ген медузы, который отвечает за флуоресценцию, специалисты могут вывести популяцию со светящейся печенью или щитовидной железой, что позволит наблюдать за ростом и функционированием этих органов.
Модельные организмы
У рыбок данио имеется два глаза, рот, нос, головной и спинной мозг, сердце, пищевод, поджелудочная железа, печень, желчные протоки, почки, кишечник. У них есть кровь, кожа, мышцы, кости, хрящи и зубы. И теоретически любой тип заболеваний, вызывающий изменения в этих частях тела у людей, можно смоделировать у рыбок-зебр. Это позволяет исследователям понять, какие генетические дефекты и механизмы ведут к тем или иным недугам.
На полосатых рыбках сегодня изучают функциональные нарушения спинного и головного мозга, которые лежат в основе нейродегенера-тивных заболеваний, двигательных и психических расстройств, глухоты. Эти модельные организмы уже помогли ученым получить более точное представление о мышечной дистрофии. Огромный интерес представляет изучение генов, контролирующих рост клеток и лежащих в основе ряда раковых заболеваний.
Кроме того, «дамские чулки» идеально подходят для высокопроизводительного скрининга лекарственных препаратов, направленного на выявление новых активных соединений или расширение показаний к применению уже существующих.
Чтобы дать рыбкам лекарство, его достаточно просто растворить в воде, а это значит, что один исследователь может ежедневно работать с десятками, а то и тысячами организмов. Скрининги, проведенные на данио, уже позволили обнаружить несколько перспективных соединений, которые сегодня проходят предварительные доклинические и клинические испытания. С их помощью также можно изучать тератогенные, мутагенные, токсические побочные эффекты лекарств.
Персонализированная медицина
Первые симптомы врожденного заболевания лимфатической системы проявились у американца Дэниела в 10 лет, а к 12 годам он был вынужден бросить занятия спортом, перейти на домашнее обучение и сесть в инвалидную коляску. Лимфатические сосуды мальчика аномально разрастались и пропускали жидкость. Его ноги сильно отекали, появились проблемы с дыханием, нарушения в работе сердца. Дэниел получал различное лечение, но ничего не помогало. Его лечащий врач Хакон Хаконарсон, специалист по педиатрическим заболеваниям легких и директор Центра прикладной геномики при детской больнице Филадельфии, понимал, что единственная надежда для мальчика – добраться до генетического корня проблемы. Он секвенировал часть генома Дэниела, производящую белки, и нашел единственную аномалию в гене ARAF, который синтезирует фермент киназу. Мутации ARAF никогда раньше не связывали с нарушениями в лимфатической системе, поэтому уверенности в том, что именно они вызвали болезнь, не было. Тогда доктор Хаконарсон спроектировал такую же мутацию у эмбрионов данио. Всего через пять дней у рыбок начали развиваться те же симптомы, что и у Дэниела. Доктор опробовал на больных рыбках 10 различных ингибиторов митоген активированной протеинкиназы и нашел тот, который остановил рост сосудов, не вызвав серьезных побочных эффектов. Получив специальное разрешение, Хаконарсон назначил выбранный препарат Дэниелу, и это сработало, мальчик выздоровел.
Конечно, в работе с рыбами существуют и некоторые ограничения. Так, человеческие болезни, вызванные генами, которых нет у данио, требуют другой модели животных.
Из-за небольших размеров рыбок ученым довольно сложно измерить концентрацию лекарственных препаратов в их крови, что затрудняет фармакокинетические и фармакоди-намические исследования.
Удивительная способность к регенерации
Данио интересуют ученых еще и потому, что они обладают несколькими действительно уникальными свойствами, например, способностью к регенерации. Если рыбка потеряет плавник или хвост, то без проблем отрастит себе новый.
В 2012 году австралийские ученые опубликовали исследование, показывающее, что данио использует белок, известный как фактор роста фибробластов, чтобы обеспечить заживление спинного мозга без глиальных рубцов, которые препятствуют полному физическому и функциональному восстановлению ЦНС после травмы или заболевания.
У маленьких полосатых рыбок никогда не бывает сахарного диабета I типа. При этом недуге иммунная система атакует и разрушает клетки поджелудочной железы, которые вырабатывают инсулин. Однако, в отличие от людей, рыбы-зебры обладают способностью обновлять клетки этого органа.
Огромный интерес к данио рерио проявляют офтальмологи, поскольку у них есть клетки, способные превращаться в стволовые, а затем – в фоторецепторные и нейроны сетчатки глаза, что позволяет восстанавливать потерянное зрение. Примечательно, что этот особый вид клеток есть и у людей. Однако нам повезло меньше, чем рыбам. В человеческом организме новые клетки становятся рубцовой тканью, что приносит больше вреда, чем пользы.
Способность к регенерации рыбок данио вызывает восхищение. Но ученых интересует вполне практический вопрос: можно ли применить ее к людям, т.е. «научить» человеческие клетки вести себя так же? Пока ответ на него не найден, и исследоания с участием «аквариумных зебр» продолжаются.
