Зебраданио потеснили мышей и дрозофил в биомедицине

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).

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%.

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].

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.

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.