Zebrafish, Medaka a tyrkysový haluz na pochopenie ľudských neurodegeneratívnych/neurovývojových porúch, časť 4.

Pre zebrafish má ZFIN (Informačná sieť Zebrafish, https://zfin.org/; prístup 30. novembra 2021) databázu génov zebričiek, vytvorených transgénnych línií a mutantných línií.

S neustálym rozvojom vedy a techniky sa geneticky modifikovaná technológia stala jedným z dôležitých nástrojov modernej poľnohospodárskej výroby. Zmenou genetického materiálu rastlín alebo zvierat možno pre ľudí vytvoriť lepšie odrody, čím sa vyriešia problémy, ako je nedostatok potravy a podvýživa. V spoločnosti však stále existuje polemika o tejto technológii. Niektorí ľudia pochybujú, že geneticky modifikované odrody budú mať negatívne účinky na ľudské zdravie, no neexistujú žiadne vedecké dôkazy, ktoré by podporovali tento názor.

V posledných rokoch vedci objavili spojenie medzi geneticky modifikovanými kmeňmi a pamäťou. V niektorých prípadoch môže genetická modifikácia zlepšiť pamäť zvieraťa. Vedci napríklad použili transgénnu technológiu na úpravu špecifických génov v bunkách určitých organizmov tak, aby tieto organizmy fungovali lepšie pri vykonávaní pamäťových úloh.

Okrem toho sa výskumníci tiež pokúšajú o génovú úpravu mozgu, aby zlepšili ľudskú inteligenciu a schopnosti učenia. Predpokladá sa, že niektoré gény ovplyvňujú inteligenciu človeka a schopnosť učiť sa, takže úpravou týchto génov je možné vytvoriť optimalizovaný mozgový systém, ktorý podporuje lepšiu pamäť a schopnosti učenia.

Samozrejme, hoci geneticky modifikovaná technológia má potenciál zlepšiť pamäť a inteligenciu organizmov, výskum je stále v počiatočnom štádiu a je potrebných viac experimentálnych údajov a vedeckého overenia. Zároveň si musíme uvedomiť, že ľudskú inteligenciu a pamäť ovplyvňuje aj veľa faktorov, ako je prostredie, vzdelanie, genetika. Geneticky modifikované technológie preto nie sú jediným spôsobom, ako vyriešiť problémy so vzdelávaním a kognitívnymi schopnosťami.

Stručne povedané, vývoj a aplikácia geneticky modifikovaných technológií má veľký význam pre zlepšenie kvality organizmov a zvýšenie efektivity výroby. Nemali by sme túto technológiu slepo odmietať, ale mali by sme sa racionálne a objektívne na základe vedeckých dôkazov pozrieť na výhody a nevýhody tejto technológie a využiť ju na podporu rozvoja poľnohospodárstva, medicíny a ochrany životného prostredia. Je vidieť, že potrebujeme zlepšiť pamäť a Cistanche deserticola môže výrazne zlepšiť pamäť, pretože Cistanche deserticola má antioxidačné, protizápalové účinky a účinky proti starnutiu, čo môže pomôcť znížiť oxidačné a zápalové reakcie v mozgu, a tým chrániť zdravie nervového systému. Okrem toho môže Cistanche deserticola tiež podporovať rast a opravu nervových buniek, čím zvyšuje konektivitu a funkciu neurónových sietí. Tieto účinky môžu pomôcť zlepšiť pamäť, rýchlosť učenia a myslenia a môžu tiež zabrániť rozvoju kognitívnej dysfunkcie a neurodegeneratívnych ochorení.

Kliknite na Know, aby ste zlepšili krátkodobú pamäť

Mnohé línie, vrátane produktov mutagenézy ENU alebo transgénnych reportérových línií, sú k dispozícii na nákup a spravuje ich ZIRC (Zebrafish International Resource Center) alebo EZRC (European Zebrafish Resource Center).

Pre medaka navštívte webovú stránku NBRP medaka (https://shigen.nig.ac.jp/medaka/top/top.jsp; prístupná 30. novembra 2021), kde nájdete rôzne mutantné a transgénne línie.

Okrem toho NFIN (The Nothobranchius furzeriInformation Network, https://www.nothobranchius.info/; prístup 30. novembra 2021) poskytuje informácie o laboratórnych postupoch a génovú databázu tyrkysových halančekov.

4. Jednoduché riadenie laboratória a experimentovanie so zebrafish, medakou a tyrkysovým killifishom

Neurodegenerácia je fenomén charakterizovaný progresívnou stratou neurónov a Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba a amyotrofická laterálna skleróza sú hlavné neurodegeneratívne ochorenia u ľudí.

Sú to progresívne ochorenia s relatívne pomalým chronickým klinickým priebehom a mozgy vykazujú abnormálne ukladanie bielkovín. Každé neurodegeneratívne ochorenie má relatívne selektívnu stratu neurónov; napríklad dopaminergné neuróny a autonómny nervový systém sú zraniteľné pri Parkinsonovej chorobe a systém motorických neurónov sa selektívne stráca pri amyotrofickej laterálnej skleróze [67].

Nedávno sa uskutočnilo veľa výskumov o neurodegeneratívnych ochoreniach s využitím výhodných vlastností malých rýb. Na generovanie a analýzu modelov chorôb sa môže použiť medikamentózna liečba neurotoxickými chemikáliami, priama mikroinjekcia abnormálnych proteínov, knockout génov súvisiacich s ochorením a knock-in mutovaných génov.

Pre štúdie Alzheimerovej choroby boli hlásené tau transgénne zebričky [68,69] a zebričky s priamou mikroinjekciou A [70,71].

Pri štúdiách amyotrofickej laterálnej sklerózy sa na analýzu patogenézy a skríningu nových liekov použili modely zebrafish súvisiace s TDP-43-, SOD{1}}alebo C9orf{3}} [30,72–76]. Tu diskutujeme o Parkinsonovej chorobe; pre viac informácií o iných neurodegeneratívnych ochoreniach pozri iné prehľady [77,78].

4.1. Zebrafish a Medaka Modely Parkinsonovej choroby
Parkinsonova choroba je bežná u starších ľudí a je charakterizovaná progresívnym motorickým poškodením, stratou dopaminergných neurónov v substantia nigra, andalfa-synukleín-pozitívnymi inklúznymi telieskami nazývanými Lewyho telieska.

My a iní sme použili rôzne malé ryby na štúdium patogenézy Parkinsonovej choroby. Toxíny ako 1-metyl-4-fenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridín (MPTP), 6-hydroxydopamín (6-OHDA) a je známe, že rotenón je toxický pre dopaminergné neuróny na rôznych zvieracích modeloch.

MPTP je neurotoxín, ktorý vyvoláva symptómy podobné Parkinsonovej chorobe u rôznych zvierat vrátane ľudí. Metabolizuje sa na 1-metyl-4-fenylpyridínium (MPP+) v gliových bunkách a následne je inkorporovaný dopamínergnými neurónmi prostredníctvom dopamínových transportérov a inhibuje aktivitu mitochondriálneho dýchacieho reťazca. V dôsledku tejto metabolickej dráhy sú dopaminergné neuróny selektívne poškodené [79,80].

MPTP tiež vyvoláva symptómy podobné Parkinsonovej chorobe u medaka. Udržiavanie lariev medaky vo vode obsahujúcej MPTP rýchlo indukuje zníženie spontánneho pohybu pri plávaní a stratu dopaminergných neurónov v diencefalóne [81].

Expozícia MPTP sa tiež uskutočnila s použitím lariev a dospelých zebričiek. Tieto štúdie preukázali účinok MPTP na lokomóciu a dopaminergné neuróny [82–87].

6-OHDA môže byť absorbovaný transportérom dopamínu, čo vedie k oxidačnému stresu a selektívnemu poškodeniu dopamínergických neurónov. 6-OHDA, keď sa podáva priamo do cerebrospinálnej tekutiny, tiež vyvoláva stratu dopamínových neurónov a zníženie spontánnych plaveckých pohybov inmedaka [88].

Injekcia 6-OHDA do ventrálneho diencefala dospelých zebričiek alebo lariev zebričiek vo vode obsahujúcej 6-OHDA môže spôsobiť redukciu indopaminergných neurónov a zhoršené plávanie [89–92].

Udržiavanie lariev zebričiek vo vode s obsahom rotenónu tiež spôsobuje zníženie dopamínu a zhoršené plavecké pohyby [93,94]. Iné chemikálie, vrátane inhibítorov proteazómu [88], chloridu amónneho alebo tunikamycínu [95], môžu u malých rýb vyvolať fenotypy podobné Parkinsonovej chorobe. Tieto toxínmi indukované modely môžu byť užitočné pri výskume Parkinsonovej choroby a skríningu liekov.

Ďalej predstavíme genetické modely Parkinsonovej choroby pomocou zebričiek a medaka. Je prekvapivo ťažké simulovať ľudskú Parkinsonovu chorobu genetickou manipuláciou u myší, ktoré sú jedným z najreprezentatívnejších modelových zvierat.

Napríklad ani u trojnásobne knockoutovaných myší s Parkin, PINK1 a DJ-1, génovými produktmi zodpovednými za autozomálne recesívnu familiárnu Parkinsonovu chorobu, nedochádza k strate dopaminergných neurónov [96].

Podobne ako u myší, Parkin alebo Pink1 single knockout medaka nevykazuje stratu dopaminergných buniek [97,98]. Analyzovali sme Parkin a Pink1 double knockout medaka a zistili sme, že došlo k strate dopaminergných neurónov, čo nebolo pozorované u jednej knockoutovanej ryby [98]. V prípade zebričiek stačí jediné vyčerpanie Pink1 na vyvolanie straty dopamínergných neurónov [99–101].

Boli vytvorené aj modely DJ-1 knockout zebrafish a medaka, ktoré si vyžadujú ďalšie patologické hodnotenia, ale sú sľubné pre produkciu nových modelov rýb Parkinsonovej choroby [102–105].

ATP13A2 je ďalší génový produkt, ktorý je zodpovedný za autozomálne recesívny parkinsonizmus so skorým nástupom, ktorý je charakterizovaný citlivosťou na levodopu, supranukleárnou gazepalzou, pyramídovými znakmi a demenciou [106].

Vytvorili sme Atp13a2 mutant medaka, ktorý vykazuje mutáciu podobnú mutácii pozorovanej u ľudských pacientov, a táto ryba vykazuje stratu dopaminergných neurónov so znížením aktivity katepsínu D a tvorbou inklúznych teliesok podobnej odtlačkom prstov [107].

Atp13a2 knockout zebrafish tiež vykazuje podobné fenotypy [108]. GBA, ktorý je tiež kauzálnym génom Gaucherovej choroby, je jedným z vysoko rizikových génov pre Parkinsonovu chorobu a Gba knockout medaka a zebrafish vykazujú nielen dopaminergnú neurodegeneráciu, ale aj alfa-synu akumulácia [109–111].

Mutácie LRRK2 sú relatívne častou príčinou autozomálne dominantnej familiárnej Parkinsonovej choroby a súvisia aj s idiopatickou Parkinsonovou chorobou [112,113]. Je ťažké pochopiť takéto autozomálne dominantné ochorenie, pretože nemusí byť jasné, či strata normálnej funkcie génu je hlavnou príčinou fenotypu alebo či môže ochorenie vysvetliť zisk toxickej funkcie.

Existuje niekoľko modelov zebrafish Lrrk2, ale budeme čakať na ďalšie hodnotenia a konzistentné zistenia [114–117].

Týmto spôsobom môžu byť vytvorené rôzne modely Parkinsonovej choroby ošetrením zebričiek alebo medaky chemikáliami alebo vykonaním genetickej modifikácie genómu zebričky alebo medaky.

Tieto modely sú veľmi užitočné na analýzu funkcie molekúl súvisiacich s Parkinsonovou chorobou in vivo a na pochopenie patofyziológie ľudskej Parkinsonovej choroby.

Okrem toho sa už široko používa v oblasti objavovania drog. Vysokovýkonný skríning využívajúci vlastnosti zebričiek zachytil mnoho zlúčenín s potenciálom zlepšiť patológiu Parkinsonovej choroby.

Pozrite si nedávny prehľad o objave liekov na hlavné neurodegeneratívne ochorenia vrátane Parkinsonovej choroby [77]. Samozrejme, jedným obmedzením používania malých rýb ako modelových zvierat je to, že medzi rybami a ľuďmi môže existovať nezrovnalosť.

Ako je to v prípade väčšiny ľudských chorôb, nástup choroby je komplikovaný niekoľkými faktormi, ako je starnutie, environmentálne faktory a multifaktoriálne genetické účinky.

Preto by sme mali starostlivo preskúmať rôzne modely vrátane bunkových línií, malých rýb alebo cicavcov a je tiež dôležité skúmať ľudské vzorky. Prechádzaním tam a späť medzi modelmi, ako sú ryby a ľudské vzorky, môžeme spoľahlivejšie pochopiť ľudskú patológiu.

4.2. Fenotypy idiopatické Parkinsonovej choroby u tyrkysových killifishov

Ďalej sme sa zamerali na tyrkysové halančíky, aby sme pochopili idiopatickú Parkinsonovu chorobu, ktorá nie je dedičná a predstavuje 90–95 % všetkých prípadov Parkinsonovej choroby. Turquoisekillifish je malý druh rýb, ktorý žije v rybníkoch, močiaroch a kalužiach v Mozambiku a iných krajinách [7].

Jeho biotop má dlhé obdobie sucha a krátke obdobie dažďov a počas obdobia sucha voda, v ktorej žije tyrkysový halančík, vysychá a dospelé ryby nemôžu prežiť.

Dokázal však prežiť ako druh osvojením si životnej histórie, v ktorej plodí vajíčka odolné voči suchu v pôde, ktoré sa vyliahnu počas nasledujúceho alebo budúceho obdobia dažďov.

V takomto životnom cykle pozitívny selekčný tlak na anti-aging nefunguje [118]. Tyrkysové halančeky majú s najväčšou pravdepodobnosťou krátku životnosť a vykazujú anaging fenotyp vo veľmi krátkom období.

Špecificky je dĺžka života tyrkysových rýb približne štyri až šesť mesiacov a vo veku okolo troch mesiacov vykazujú rôzne známky starnutia vrátane atrofie orgánov, zakrivenia chrbtice a zvýšených hladín beta-galaktozidázy súvisiacej so starnutím [119–121].

Hoci je Parkinsonova choroba u ľudí silne spojená so starnutím, väčšina pokusných zvierat nemusí počas starnutia vykazovať dostatočný fenotyp ochorenia. Zistili sme, že tyrkysové halančeky vykazujú degeneráciu dopamínergných a noradrenergných neurónov a progresiu patológie alfa-synukleínu so starnutím [122]. Tieto patologické fenotypy sú podobné fenotypom pozorovaným pri ľudskej Parkinsonovej chorobe.

Genetická deplécia alfa-synukleínu systémom CRISPR-Cas9 zlepšuje neurodegeneráciu, čo naznačuje, že alfa-synukleín nie je vedľajším účastníkom v patogenéze Parkinsonovej choroby, ale je príčinným proteínom neurodegenerácie.

Tyrkysový halančík má potenciál odhaliť mechanizmy Parkinsonovej choroby, najmä väčšinu prípadov idiopatickej Parkinsonovej choroby. Táto jedinečná ryba bude užitočná aj pri iných poruchách mozgu a iných orgánov súvisiacich s vekom.

For more information:1950477648nn@gmail.com