Zebřička jako model vývoje obratlovců

V jednom z minulých čísel Vesmíru (72, 533, 1993/10) jsme si ukázali některé z nejvýznamnějších modelových objektů, umožňujících poznat různé stránky genového řízení vývoje živočichů. V posledních asi 10 letech to byla především drozofila, jejíž výzkum přispěl rozhodujícím způsobem k pochopení genového řízení vývoje na molekulární úrovni. U obratlovců však do nedávné doby podobný objekt neexistoval. Obojživelníci, vděčný objekt experimentální embryologie (zejména drápatka vodní, Xenopus laevis), se vyvíjejí příliš pomalu, dlouho dospívají a je u nich známo poměrně málo mutantů, laboratorní myš je sice po genetické stránce dobře známa, ale její vnitroděložní způsob vývoje omezuje možnosti experimentálních zásahů.

Asi před 5 lety se proto někteří vývojoví biologové zaměřili na výzkum snadno chovatelné akvarijní rybky Brachydanio rerio, dania pruhovaného, zebřičky akvaristů asi 3 – 4 cm dlouhé, která má krátký životní cyklus – za 3 měsíce dospívá, žije asi 2 roky a každý druhý týden snáší několik set vajíček, která se po zevním oplození vyvíjejí v průhledná embrya. U těch lze sledovat vývojový osud každé jednotlivé buňky při vzniku orgánových základů podobně jako u hlístice Caenorhabditis elegans mezi bezobratlými. Výzkum na daniích je ekonomický, jedna rybka může být chována 1 rok za méně než 3 dolary a dát při tom vznik několika tisícům embryí. Její mutanty lze, na rozdíl od myši, snadno uchovávat ve formě zmraženého spermatu.

Aby se zebřička stala významným objektem, spojujícím experimentálně embryologické a genetické nároky výzkumu, bylo třeba vykonat množství trpělivé práce ve vyhledávání dostatečného množství vývojově významných mutantů, jejichž geny by bylo možno též izolovat a testovat. Patricia Kahnová v květnovém čísle Science (264, 904, 1994) ukazuje úspěchy zejména dvou výzkumných skupin. Jednou z nich je skupina profesorky Christiane Nüssleinové-Volhardové z laboratoře vývojové biologie Institutu Maxe Plancka v Tübingenu, známé vynikajícími výsledky v analýze genového řízení vývoje drozofily, druhou je skupina Wolfganga Drievera z Massachusettské všeobecné nemocnice v Bostonu. Ten vylíčil náročnou cestu k "etablování" nového slibného modelu vývojové biologie v článku v Trends in Genetics (10, 152, 1994).

Testováním více než 2 milionů embryí bylo nalezeno asi 2 000 vývojových mutantů spolu s mutanty "udržovacích" genů, které ovšem vývoj specificky neovlivňují. Ve vyhledávání mutantů užila Nüssleinová-Volhardová metody saturační mutageneze, která se jí v osmdesátých letech tak osvědčila při výzkumu drozofily. V této metodě je např. 50 – 100 dospělých samečků zebřičky ovlivněno chemickým mutagenem (nejlépe se osvědčila ethylnitrosourea), ti pak oplodní vajíčka standardních, normálních samiček a vznikne 5 000 až 1 000 rybek první filiální generace (F1). Po dalším vzájemném dvougeneračním křížení lze nalézt u embryí generace F3 homozygoty recesivních mutantů. Tento zdánlivě jednoduchý postup, který může být různým způsobem modifikován (např. využitím haploidních embryí, uměle získaných v dceřiných generacích), je ovšem nesmírně náročný nejen prostorově – vzrůstající počet nádrží, ale i proto, že vývoj spočívá na kaskádě molekulárních dějů a je třeba nalézt co největší počet genů, které každou kaskádu ovlivňují. Na podzim 1992 měla Nüssleinová-Volhardová chov asi 350 000 rybek. Po roce s 1,2 milionu embryí měla již 1 300 mutantů se širokým spektrem fenotypických projevů. Mnohé mutace se projevovaly ve vývoji až později, v abnormalitě jediné struktury (např. chordy, mozku, čelistních oblouků aj.). Jeden z velmi zajímavých mutantů umožnil sledovat, jak embryonální nervová vlákna naleznou svou cestu od buněk sítnice k cílovým místům v tektu mozku. To umožnily mutace s abnormálními retinotektálními spoji. U některých mutantů se nesprávné spojení, které bylo možno díky transparenci embryí sledovat pomocí fluorescentních barviv, projevilo tím, že rybky plavaly břichem nahoru. Testování v Drieverově laboratoři v Bostonu přineslo asi 600 mutantů, z nichž mnozí vykazovali srdeční defekty, které pomohly objasnit vznik strukturních a funkčních defektů lidského srdce.

Vzdor těmto úspěchům jsou si oba týmy vědomy, že nejobtížnější práce s identifikací a klonováním genů teprve začíná. Závisí především na získávání genových map, které se teprve začínají tvořit. Např. skupina Johna Postlethwaita na univerzitě v Oregonu vyvinula vysoce rozlišující techniku pro mapování genů zebřičky v mezích 100 000 bp (párů bází). "Knihovny" DNA se počínají rýsovat pod vedením Hanse Lehracha v Imperial Cancer Fund v Londýně a klonování genů se nejeví již tak vzdáleným cílem. S klonovanými geny se vývojová biologie obratlovců přiblíží stavu, který byl dosažen u drozofily, i když podle Drievera to potrvá ještě asi 10 let. Driever se domívá, že vývojově genetický výzkum danií významně doplní jiné pokusné systémy. Informace získané analýzou vývojově významných genů mohou být snadno rozšířeny na homologní systémy myši a jiných objektů. Mnohé geny objevené při velkolepém mapovacím úsilí lidského genomu (Humane Genome Programme) mají partnery u zebřičky, na níž bude možné jejich mutace a funkční úlohu studovat. Podle Frazera z Kalifornské techniky (CALTECH) v Pasadeně se dokonce se zebřičkou otevírá ve vývojové biologii nová éra.