Czy nowe organizmy modelowe doprowadzą do odkryć naukowych?

image

Większość badań laboratoryjnych odbywa się na zaledwie kilku organizmach modelowych, wśród których prym wiodą myszy, muszki owocowe (Drosophila melanogaster), nicień C. elegans, E. coli oraz drożdże S. cerevisiae i S. pombe. Ponieważ jednak organizmy te nie są w stanie odpowiedzieć na każde pytanie biologiczne, naukowcy zaczynają tworzyć nowe organizmy modelowe z nadzieją, że rzucą one nowe światło na stare problemy.

Co czyni dobry naukowy organizm modelowy?

Organizmy modelowe są przydatne do zrozumienia, jak określone procesy zachodzą w przyrodzie. Aby to zrobić, naukowcy muszą mieć możliwość wykonania kilku rzeczy:

  • Wyhodować organizm
  • Pozwolić mu się rozmnażać
  • Wizualizować zmiany bezpośrednio i poprzez analizę biochemiczną
  • Manipulować genetycznie i/lub farmakologicznie.

Wszystkie powszechnie stosowane modele zwierzęce spełniają te cztery wymagania, a większość z nich ma dodatkowe zasoby, takie jak zmapowany genom i bazy danych pełne linii transgenicznych i innych przydatnych narzędzi genetycznych. Choć modelami tymi łatwo jest manipulować, niekoniecznie nadają się one najlepiej do rozwiązywania problemów związanych z regeneracją i dynamiką ewolucji. Nawet myszy są słabymi modelami przedklinicznymi dla skuteczności farmakologicznej u ludzi.

Interesujący artykuł na temat nietradycyjnych organizmów modelowych został niedawno opublikowany przez Benajmina Matthewsa i Leslie Vosshall, którzy reprezentują grupę naukowców badających nietradycyjny organizm modelowy - komara. Opisują oni w nim ramy wymagane do uznania organizmu za właściwy model, składające się z dziesięciu kroków:1

Krok 1 - Wybierz organizm, który odpowiada na istotne pytania naukowe. Autorzy upewniają się, że wybór pytania - a więc i modelu - jest sprawą osobistą, podyktowaną potrzebą zajęcia się poważnym problemem zdrowotnym lub zwykłą ciekawością, by lepiej zrozumieć, jak działa natura.

Krok 2 - Wyhodowanie organizmu w laboratorium. Do pracy z nowym modelem w laboratorium niezbędna jest pewna wiedza o organizmie. Może to obejmować odpowiednie warunki środowiskowe dla wzrostu i reprodukcji, takie jak tradycyjne źródła pożywienia i zwyczaje godowe.

Krok 3 - Profilowanie jego genomu i ekspresji genów. Chociaż uznane ośrodki mogą odmówić wykonania sekwencjonowania genomu nietradycyjnego modelu, obecnie możliwe jest wykonanie tego na miejscu przy użyciu sekwencjonowania następnej generacji, co wiele osób już zrobiło.2 Aby ułatwić manipulacje genetyczne, ważne jest również opisanie genomu tam, gdzie jest to możliwe, oraz wykonanie RNA-Seq, co może być wykorzystane do określenia transkryptomu gatunku.

Krok 4 - Ustalenie sposobu wprowadzenia obcego materiału genetycznego. Aby manipulować genetycznie organizmem, musi istnieć realna i skuteczna metoda wprowadzania wektorów, które mogą modulować ekspresję genów. Warto zastanowić się, czy te mutacje genetyczne mają być dziedziczne czy somatyczne oraz kontrolować potencjalny stres wywołany przez technikę (techniki).

Krok 5 - Opracowanie metody tworzenia linii transgenicznych. Jest to niezbędne do napędzania ekspresji markerów i innych białek. Istnieje kilka sposobów, aby to zrobić, w tym transposon-mediated transgenesis, integrazy site-specific i CRISPR knock-ins. Przed stworzeniem linii transgenicznej często konieczne jest zidentyfikowanie odpowiednich elementów regulacyjnych, tak aby interesujący nas gen był wydajnie wyrażany w organizmie.

Krok 6 - Zmniejszenie ekspresji genów. Chociaż interferencja RNA (RNAi) może być użyta do obniżenia ekspresji genów w określonych tkankach lub podczas etapów rozwoju, to jednak ma ona tendencję do przemijania i może powodować zmienne poziomy ekspresji genów. Aby uzyskać bardziej trwałe i spójne wyeliminowanie ekspresji genów, bardziej niezawodną techniką jest edycja genomu za pomocą CRISPR.

Krok 7 - Wdrożenie protokołów do precyzyjnej mutagenezy. Podczas gdy zrozumienie efektów knock-ins i knock-out genów może przynieść istotne informacje, często konieczne jest selektywne mutowanie określonych genów w celu lepszego zrozumienia struktury i funkcji ich produktów białkowych. Naprawy homologiczne mogą być wykorzystywane do tworzenia wielu różnych rodzajów mutacji, w tym utraty funkcji, mutacji in-frame z wykorzystaniem sekwencji egzogennych oraz zdefiniowanych mutacji punktowych.

Krok 8 - Zaprojektowanie binarnych systemów efektorowych. Systemy te wymagają szczepu wyrażającego egzogenny aktywator transkrypcji, który nie przyłącza się do genomu gospodarza, wraz z innym szczepem niosącym gen reporterowy. Po skrzyżowaniu gen może być wyrażony w dowolnej części organizmu we wcześniej ustalonych punktach czasowych.

Krok 9 - Wygenerowanie stabilnych linii, które mogą być wykorzystane do wizualizacji i manipulacji tkankami i komórkami. Używając narzędzi stworzonych w poprzednich krokach, można wygenerować szczepy, które selektywnie wyrażają białko fluorescencyjne lub które bezpośrednio pozwalają na wizualizację i manipulację niektórymi tkankami, takimi jak neurony.

Krok 10 - Rozwijaj badania! Zacznij odpowiadać na pytania, które zadawałeś sobie przed podjęciem decyzji o pracy z nowym modelem i zacznij zadawać nowe, w miarę jak zaczynasz rozumieć badane procesy. Twoje dane mogą być ekstrapolowane w celu zrozumienia zasad biologicznych w bardziej zróżnicowanym zestawie organizmów lub odkrycia nowych technik, które mogłyby być stosowane do tradycyjnych organizmów modelowych (nawet ludzi).

Nowe organizmy modelowe, na które warto zwrócić uwagę

Aedes aegypti (komar pospolity)

Artykuł opublikowany przez Matthews et al, choć może być stosowany do szerokiego zakresu nietradycyjnych organizmów modelowych, skupiał się przede wszystkim na komarach, i nie bez powodu. Komary są główną przyczyną śmierci zwierząt na całym świecie, rozprzestrzeniając choroby takie jak malaria, gorączka denga i wirus Zachodniego Nilu. Naukowcy tacy jak Matthews i Vosshall wykorzystują obecnie komary jako model neurobiologiczny, badając mechanizmy biologiczne, które skłaniają je do poszukiwania krwi i pozwalają im dokładnie zlokalizować żywicieli, na których mogą się pożywiać.1

Okrzemki

Okrzemki to dziwne stworzenia. Są jednokomórkowymi eukariotami, które mogą przeprowadzać fotosyntezę, ale to, co czyni je naprawdę wyjątkowymi, to fakt, że ich ściana komórkowa jest wykonana z dwutlenku krzemu, czyli szkła. Ta unikalna ściana komórkowa jest najbardziej charakterystyczną cechą okrzemek, ponieważ wzór dwutlenku krzemu różni się u poszczególnych gatunków, starannie ułożony w skomplikowane kształty i różne rozmiary. Podczas gdy chemiczna podstawa produkcji ściany komórkowej jest znana - okrzemki tworzą guzki dwutlenku krzemu z konwersji kwasu krzemowego przez białka silafinowe - to co rządzi kształtem i rozmiarem ściany nie zostało jeszcze wyjaśnione.2 Kompletny genom został dotychczas zsekwencjonowany dla dwóch różnych gatunków okrzemek.

Stentor i Aksolotl

Oba organizmy oferują różne spojrzenia na proces krytyczny dla ludzkiego zdrowia: regenerację. Stentor, jednokomórkowy protist, może urosnąć do ponad jednego milimetra i ma złożoną, spolaryzowaną strukturę komórkową. Co ciekawe, jeśli przetniesz komórkę stentora na pół, odrodzi się ona w dwa osobniki, a utracone części ciała mogą być nawet przeszczepione z powrotem do komórki. To czyni go wyjątkowym pod względem badania regeneracji na poziomie pojedynczych komórek.2

Jeśli chodzi o regenerację tkanek, jednym z najciekawszych organizmów do badania jest aksolotl. Jest to rodzaj salamandry, która specjalizuje się w regeneracji utraconych kończyn. Ze względu na łatwość hodowli tego zwierzęcia oraz jego dużą zdolność do rozmnażania się (składa 500 jaj na raz), dostępne są już narzędzia takie jak CRISPR - edycja genomu, które są niezbędne do manipulowania tym organizmem. W związku z tym w ostatnim czasie rozpoczęto badania nad tym, jak zwierzęta te mogą tak sprawnie koordynować regenerację identycznych kończyn, wykorzystując zmutowane szczepy, które wyrażają białka fluorescencyjne, aby pomóc w wizualizacji procesu.2

Tardigrades

Niewiele jest organizmów wielokomórkowych lepiej nadających się do badania odporności na ekstremalne środowiska niż tardigrades, znane również jako niedźwiedzie wodne. Tardigrades, dzięki ośmiu odnóżom i niewielkim rozmiarom, mogą przetrwać niemal wszędzie, od mchów i porostów, gdzie ulegają wysuszeniu, po przechowywanie w warunkach kriogenicznych w ciekłym azocie i promieniowanie jonizujące o natężeniu do 4000 Gy. Organizmy te są badane w celu określenia, jakie geny i cząsteczki są odpowiedzialne za to, że są tak trudne do zabicia, przy czym bada się kilku kandydatów, którzy mogą chronić zarówno tardigradowe, jak i ludzkie DNA przed uszkodzeniami.2

Wybór właściwych organizmów modelowych

Wymienione powyżej organizmy to tylko kilka z wielu nietradycyjnych organizmów wykorzystywanych do badania różnych zjawisk biologicznych (bardziej wyczerpująca lista znajduje się w publikacji Russell et al 2020 w BMC Biology). Wspólne dla nich wszystkich jest to, że zostały wybrane z określonych powodów na podstawie ich cech biologicznych i ze względu na możliwość hodowli w laboratorium. Jednak o ile pewne zjawiska biologiczne można wykorzystać do bezpośredniego powiązania z omawianym pytaniem (na przykład aksolotle bardzo dobrze się regenerują, więc stanowią idealny model do badania regeneracji), o tyle nie wszystkie są w stanie przetrwać warunki laboratoryjne.

Bob Goldstein i Nicole King sugerują przyjęcie bardziej oszczędnego podejścia do wyboru odpowiedniego zwierzęcia. Zamiast skupiać się na jednym gatunku, wybierz kilka, które mogą pomóc w odpowiedzi na to samo pytanie, a następnie zawęź poszukiwania w oparciu o względy praktyczne. W swoim doświadczeniu z choanoflagellanami próbowali wyhodować każdy gatunek, jaki tylko wpadł im w ręce, aż znaleźli tylko dwa gatunki, które dobrze rozwijały się w laboratorium. Wykorzystując techniki opracowane dla tych dwóch gatunków, zaadaptowali je do szerszego zakresu choanoflagellatów, powoli pracując nad zrozumieniem ewolucyjnych początków rozwoju wielokomórkowego.3

LabTAG firmy GA International jest wiodącym producentem wysokowydajnych etykiet specjalistycznych ai dostawcą rozwiązań identyfikacyjnych stosowanych w laboratoriach badawczych i medycznych oraz w placówkach służby zdrowia.

Piśmiennictwo:

  1. Matthews BJ, Vosshall LB. Jak przekształcić organizm w organizm modelowy w 10 "łatwych" krokach. J Exp Biol. 2020:1-10.
  2. Russell JJ, Theriot JA, Sood P, et al. Organizmy nie będące modelami. BMC Biol. 2017;15(1):1-31.
  3. Goldstein B, Król N. The Future of Cell Biology: Emerging Model Organisms. Trends Cell Biol. 2016;26(11):818-824.