Рыба, похожая на человека

Аквариумные рыбки данио рерио долгое время были объектом биологии развития. Однако в последние годы их стали использовать и нейробиологи, и физиологи более широкого профиля, и специалисты по изучению рака.

Фото: flickr.com / Tohru Murakami

Первые ГМ-питомцы

Небольшие рыбки с латинским названием Danio rerio, типичные для южноазиатских рек, относятся к семейству карповых. На теле у данио темные и светлые полосы, видимо, поэтому англоговорящие называют ее zebrafish. Данио неприхотливы в содержании и много двигаются, за это их любят аквариумисты.

Данио могут быть не только полосатыми, но и розовыми, и золотистыми, и пятнистыми. Эти формы вывели «обычной» селекцией. А бывают рыбки флуоресцирующие. Методами генной инженерии им добавили один или два гена — либо GFP (зеленого флуоресцентного белка) от медузы, либо RFP (красного флуоресцентного белка) от коралла, или же и тот и другой. В первом случае данио светятся зеленым, во втором — красным, а при наличии обоих генов — желтым. Запатентованное название таких светящихся рыб — GloFish, и на рынке они появились в США в 2003 году. Жаль, что теперь во многих странах мира их ввоз и содержание запрещены из-за боязни генномодифицированных объектов. И тем не менее именно GloFish стали первыми ГМ-домашними животными.

Прозрачные преимущества

Изначально Danio rerio были незаменимы в исследованиях биологии развития. Во-первых, эмбрионы рыб развиваются не в организме матери и не в яйце с плотной скорлупой, а в икринке, что упрощает манипуляции и наблюдения. Во-вторых, мальки данио практически прозрачны, что, опять же, удобно для эксперимента. Наконец, развиваются они быстро: от нереста до вылупления из икринок проходит всего четыре дня. Не нужно ждать три недели, как в случае курицы, и вскрывать яйца не требуется.

Да, эмбриогенез рыб отличается от человеческого сильнее, чем птичий, но и степень детализации в случае данио выше, и возможностей для экспериментальных манипуляций больше. На протяжении десятков лет специалисты по биологии развития воздействовали на гены эмбрионов рыб, выявляя изменения, к которым такие воздействия приведут. В итоге развитие данио расписано по часам и выявлены сотни факторов, влияющих на превращение оплодотворенной яйцеклетки в маленькую рыбку. Многим генам, участвующим в эмбриогенезе данио, нашли соответствия в геноме человека (гены-гомологи у разных видов, выполняющие одну и ту же функцию, принято называть ортологами), а значит, можно полагать, что и на наше внутриутробное развитие они влияют.

Конечно, лабораторных мышей тоже используют в исследованиях биологии развития, однако у них есть большой недостаток: мыши непрозрачны. Сейчас существуют технологии, исправляющие это. Но, во-первых, после их применения эмбрионы не остаются живыми, а во-вторых, они подходят не для всех тканей. По крайней мере, если речь идет о CLARITY — методике с использованием акриламидных гидрогелей, используемой для фиксации тканей головного мозга. Кстати, препарат нужно фиксировать несколько недель, чтобы добиться нужного результата. А кроме того, хотя мыши размножаются весьма быстро, данио обгоняют их по этому параметру. Самка этой рыбы может откладывать сотни икринок каждую неделю.

Рыбы, рак и лекарства

Не только мальки Danio rerio полезны науке. Взрослые рыбы тоже приносят немало ценных сведений.

Геном данио секвенировали и сравнили с человеческим («Nature», 496, 498—503, 2013, doi:10.1038/nature12111, полный текст). Оказалось, что около 70% кодирующих белки генов человека имеют ортологи у этой рыбы, а это значит, что большинство патологических состояний человека теоретически можно смоделировать на рыбах. Новые значимые модели появляются практически каждый год. Существуют рыбьи аналоги анемий, порфирии, кардиомиопатий, мышечной дистрофии, рака яичек, печени и даже болезней Паркинсона и Альцгеймера (рис. 1).

1. Так менялось с 1995 по 2012 год количество статей об исследованиях с использованием Danio rerio, публикуемое за год. Цветными линиями отмечено время появления «рыбьих» моделей различных заболеваний человека.

Одной из первых была создана модель порфирии — наследственного заболевания, при котором нарушается биосинтез гема, главного компонента гемоглобина («Nature Genetics», 1998, 20, 239—243, doi:10.1038/3041). Выяснилось, что ген фермента уропорфириногендекарбоксилазы, чьи мутации провоцируют порфирию у людей, имеет такую же функцию и у данио. В дальнейшем были созданы мутанты Danio rerio с отклонениями эмбрионального развития, приводящими к проблемам с синтезом гема. У них, как и у людей с порфирией, нарушен обмен пигментов, а значит, окраска чешуи отличается от нормальной.

Наблюдать за развитием пересаженных от человека опухолей на рыбках оказалось весьма удобно из-за большей прозрачности их тканей. Ранее ксенотрансплантацию человеческих раковых клеток проводили почти исключительно мышам. Стоит отметить, что на рыбках изучают не только солидные (твердые), но и «жидкие» опухоли. Это, например, Т-клеточные лейкозы: они возникают из-за избыточной экспрессии онкогена Myc, которую смоделировали на рыбках с помощью трансгенных технологий («Science», 2003, 299, 5608, 887—890, doi: 10.1126/science.1080280).

С помощью данио можно находить и тестировать новые лекарства. Существует модель меланомы на этих рыбках. Известно, что клетки таких опухолей обладают многими свойствами клеток нервного гребня, а нервный гребень одна из важнейших частей эмбриона.

Исследователи выясняли, какие вещества могут замедлять образование нервного гребня данио, предполагая, что эти же молекулы смогут остановить развитие меланом. Таким образом открыли, что противоревматический препарат лефлуномид тормозит синтез пиримидина, а заодно и элонгацию транскрипции генов, активных при формировании нервного гребня («Nature», 471, 518–522, 2011, doi:10.1038/nature09882). В культурах клеток меланомы лефлуномид в сочетании с вемурафенибом показал себя весьма эффективным. Исследования на животных эта пара тоже прошла, и в 2012 году начались клинические испытания комбинированной терапии. Через два года они закончились, однако их результаты еще не опубликовали.

Аутизм и депрессия в воде

Удивительно, но данио помогают изучать даже такие, казалось бы, чисто человеческие болезни, как депрессия и расстройства аутистического спектра.

Поведение рыб в моделях этих заболеваний оценивают после записи на видео — совсем как в исследованиях на грызунах. Только если мыши и крысы в тесте «открытое поле» перемещаются в двух плоскостях, рыбы в аквариуме движутся еще и в третьем измерении. Они могут опуститься поглубже, а могут плавать близко к поверхности. Как правило, попадая в новый аквариум, данио предпочитают держаться рядом с его дном и стенками. Однако если в воду добавить антидепрессант флуоксетин, также снимающий тревожность, они плавают в верхней части аквариума, а уровень «гормона стресса» кортизола у таких рыб снижен. Эти данные весьма интересны не только в плане фармакологического лечения депрессии, но и для экологических исследований. Ведь в США и ряде других стран концентрация флуоксетина в воде естественных водоемов далека от нулевой («Environmental Science and Technology», 2010, 44,6, 1918—1925, doi: 10.1021/es9022706), а стало быть, обитатели озер и рек постоянно подвержены действию этого антидепрессанта. Какие эффекты он на них оказывает, еще только предстоит уточнить.

Danio rerio — рыбы социальные и охотно взаимодействуют друг с другом. Они могут сбиваться в стайки, а когда мирно общаются, в норме обращены друг к другу головами. Данио, на которых моделируют расстройства аутистического спектра, будто бы не обращают на соседей внимания и почти никогда не поворачиваются к ним, а также держатся от сородичей на почтительном расстоянии. Кстати, в разработке моделей «рыб-аутистов» принимают участие и ученые из Санкт-Петербурга и Екатеринбурга («Experimental Neurology», 2017, doi:10.1016/ j.expneurol.2017.02.004).

2. Рыбка данио, у которой искусственно вызван эпилептический припадок, плавает штопором

Есть у данио и аналог эпилепсии. Выявить его можно с помощью электроэнцефалографии и по видеозаписям поведенческих актов. Во время «припадка», вызванного действием конвульсантов, электрическая активность мозга рыбы меняется определенным образом. Меняется также траектория движения (рис. 2).

Ложка дегтя

Ни одна модель не идеальна. Данио, конечно, довольно близки к человеку, но есть между нами и отличия, и не только в числе конечностей. Часть генов у этих рыбок дуплицирована, у их гематоэнцефалического барьера есть особенности строения, которых нет у нашего. Некоторые регионы мозга, играющие важную роль в поведении человека и других млекопитающих, у рыб практически не развиваются. Кроме того, данио не присуща забота о потомстве, а это существенное ограничение для исследований аутизма.

Вряд ли в обозримом будущем данио догонят по популярности таких лабораторных корифеев, как крысы и мыши. Это и немудрено: все-таки рыбы от нас по строению дальше, чем грызуны. Хотя, признаться, безмолвных плавающих в воде созданий не так жалко, как хвостатых и пушистых.