El pez cebra ( Danio rerio ) es un pez de agua dulce perteneciente a la familia de los pececillos ( Cyprinidae ) del orden Cypriniformes . Originario de la India [2] y el sur de Asia, es un pez de acuario popular , frecuentemente vendido bajo el nombre comercial zebra danio [3] (y por eso a menudo se le llama " pez tropical ", aunque es tanto tropical como subtropical ).
El pez cebra es un organismo modelo vertebrado importante y ampliamente utilizado en la investigación científica, particularmente en biología del desarrollo , pero también en función genética, oncología , teratología y desarrollo de fármacos , en particular en desarrollo preclínico . [4] También destaca por sus capacidades regenerativas , [5] y ha sido modificado por investigadores para producir muchas cepas transgénicas . [6] [7] [8]
El pez cebra es un miembro derivado del género Brachydanio , de la familia Cyprinidae . Tiene una relación de grupo hermano con Danio aesculapii . [9] El pez cebra también está estrechamente relacionado con el género Devario , como lo demuestra un árbol filogenético de especies cercanas. [10]
El pez cebra es originario de hábitats de agua dulce en el sur de Asia, donde se encuentra en India, Pakistán, Bangladesh, Nepal y Bután. [1] [11] [12] [13] El límite norte está en el sur del Himalaya , desde la cuenca del río Sutlej en la región fronteriza entre Pakistán e India hasta el estado de Arunachal Pradesh en el noreste de la India. [1] [12] Su área de distribución se concentra en las cuencas de los ríos Ganges y Brahmaputra , y la especie se describió por primera vez en el río Kosi (cuenca inferior del Ganges) de la India. Su distribución más al sur es más local, con registros dispersos de las regiones de Ghats occidental y oriental . [13] [14] Con frecuencia se ha dicho que ocurre en Myanmar (Birmania), pero esto se basa enteramente en registros anteriores a 1930 y probablemente se refiere a parientes cercanos que solo se describen más adelante, en particular Danio kyathit . [13] [15] [16] [17] Asimismo, los registros antiguos [ se necesita aclaración ] de Sri Lanka son muy cuestionables y siguen sin confirmarse. [15]
El pez cebra se ha introducido en California, Connecticut, Florida y Nuevo México en los Estados Unidos, presumiblemente por liberación deliberada por parte de acuaristas o por escape de piscifactorías . La población de Nuevo México había sido extirpada en 2003 y no está claro si los demás sobreviven, ya que los últimos registros publicados fueron hace décadas. [18] En otros lugares, la especie ha sido introducida en Colombia y Malasia. [12] [19]
El pez cebra normalmente habita en aguas claras que fluyen moderadamente a estancadas y de poca profundidad en arroyos, canales, acequias, lagos , estanques y arrozales . [13] [19] [20] Suele haber algo de vegetación, ya sea sumergida o sobresaliendo de las orillas, y el fondo es arenoso, fangoso o limoso, a menudo mezclado con guijarros o grava. En estudios de ubicaciones de pez cebra en gran parte de su distribución en Bangladesh e India, el agua tenía un pH casi neutro a algo básico y la temperatura en su mayoría oscilaba entre 16,5 y 34 °C (61,7 a 93,2 °F). [13] [21] Un sitio inusualmente frío tenía solo 12,3 °C (54,1 °F) y otro sitio inusualmente cálido tenía 38,6 °C (101,5 °F), pero el pez cebra aún parecía saludable. La temperatura inusualmente fría se produjo en uno de los lugares más altos conocidos del pez cebra a 1.576 m (5.171 pies) sobre el nivel del mar, aunque la especie se ha registrado a 1.795 m (5.889 pies). [13]
El pez cebra lleva el nombre de las cinco franjas azules horizontales, uniformes, pigmentadas, en el costado del cuerpo, que recuerdan a las franjas de una cebra y que se extienden hasta el final de la aleta caudal . Su forma es fusiforme y comprimida lateralmente, con la boca dirigida hacia arriba. El macho tiene forma de torpedo , con franjas doradas entre las franjas azules; la hembra tiene un vientre blanquecino más grande y rayas plateadas en lugar de doradas. Las hembras adultas exhiben una pequeña papila genital delante del origen de la aleta anal . El pez cebra puede alcanzar hasta 4 a 5 cm (1,6 a 2,0 pulgadas) de largo, [16] aunque normalmente mide entre 1,8 y 3,7 cm (0,7 a 1,5 pulgadas) en la naturaleza, con algunas variaciones según la ubicación. [ cita necesaria ] Su vida útil en cautiverio es de alrededor de dos a tres años, aunque en condiciones ideales, puede extenderse a más de cinco años. [20] [22] En la naturaleza, suele ser una especie anual. [1]
En 2015, se publicó un estudio sobre la capacidad de memoria episódica del pez cebra . Los individuos mostraron capacidad para recordar el contexto con respecto a objetos, lugares y ocasiones (qué, cuándo, dónde). La memoria episódica es una capacidad de los sistemas de memoria explícita, típicamente asociada con la experiencia consciente . [23]
Las células de Mauthner integran una amplia gama de estímulos sensoriales para producir el reflejo de escape . McHenry et al. encontraron que esos estímulos incluyen las señales de la línea lateral . 2009 y señales visuales consistentes con objetos que se avecinan por Temizer et al. 2015, Dunn et al. 2016, y Yao et al. 2016. [24]
El tiempo aproximado de generación de Danio Rerio es de tres meses. Debe haber un macho presente para que se produzca la ovulación y el desove . El pez cebra desova con éxito [25] y, en condiciones óptimas (como disponibilidad de alimento y parámetros de agua favorables), puede desovar con éxito con frecuencia, incluso a diario. [26] Las hembras pueden desovar a intervalos de dos o tres días, poniendo cientos de huevos en cada nidada . Tras la liberación, comienza el desarrollo embrionario; en ausencia de espermatozoides, el crecimiento se detiene después de las primeras divisiones celulares. Los huevos fertilizados se vuelven transparentes casi de inmediato, una característica que convierte a D. rerio en una especie modelo de investigación conveniente . [20] Se demostró que la determinación del sexo de cepas de laboratorio comunes es un rasgo genético complejo, en lugar de seguir un simple sistema ZW o XY. [27]
El embrión del pez cebra se desarrolla rápidamente y los precursores de todos los órganos principales aparecen dentro de las 36 horas posteriores a la fertilización. El embrión comienza como una yema con una única célula enorme en la parte superior (ver imagen, panel de 0 h), que se divide en dos (panel de 0,75 h) y continúa dividiéndose hasta que hay miles de células pequeñas (panel de 3,25 h). Luego, las células migran hacia los lados de la yema (panel de 8 h) y comienzan a formar una cabeza y una cola (panel de 16 h). Luego, la cola crece y se separa del cuerpo (panel de 24 h). La yema se encoge con el tiempo porque el pez la utiliza como alimento a medida que madura durante los primeros días (panel de 72 h). Después de unos meses, el pez adulto alcanza la madurez reproductiva (panel inferior).
Para animar a los peces a desovar, algunos investigadores utilizan una pecera con un fondo deslizante, que reduce la profundidad de la piscina para simular la orilla de un río. El pez cebra desova mejor por la mañana debido a sus ritmos circadianos . Los investigadores han podido recolectar 10.000 embriones en 10 minutos utilizando este método. [28] En particular, una pareja de peces adultos es capaz de poner entre 200 y 300 huevos en una mañana en aproximadamente 5 a 10 a la vez. [29] Además, se sabe que los machos del pez cebra responden a marcas más pronunciadas en las hembras, es decir, "buenas rayas", pero en un grupo, los machos se aparearán con cualquier hembra que puedan encontrar. Actualmente no se comprende qué atrae a las mujeres. La presencia de plantas, incluso de plástico, aparentemente también favorece el desove. [28]
La exposición a concentraciones ambientalmente relevantes de ftalato de diisononilo (DINP), comúnmente utilizado en una gran variedad de artículos de plástico, altera el sistema endocannabinoide y, por lo tanto, afecta la reproducción de una manera específica para cada sexo. [30]
El pez cebra es omnívoro y se alimenta principalmente de zooplancton , fitoplancton , insectos y larvas de insectos , aunque puede comer una variedad de otros alimentos, como gusanos y pequeños crustáceos , si sus fuentes alimenticias preferidas no están fácilmente disponibles. [20]
En las investigaciones, el pez cebra adulto suele ser alimentado con artemia o paramecia . [31]
El pez cebra es un pez resistente y se considera bueno para los acuaristas principiantes. Su perdurable popularidad puede atribuirse a su carácter juguetón, [32] así como a su rápida cría, su estética, su bajo precio y su amplia disponibilidad. También les va bien en bancos o bancos de seis o más e interactúan bien con otras especies de peces en el acuario. Sin embargo, son susceptibles a Oodinium o enfermedad del terciopelo, microsporidios ( Pseudoloma neurophilia ) y especies de Mycobacterium . Si tienen la oportunidad, los adultos comen a las crías, que pueden protegerse separando los dos grupos con una red, una caja de cría o un tanque separado. En cautiverio, el pez cebra vive aproximadamente cuarenta y dos meses. Algunos peces cebra en cautiverio pueden desarrollar una columna curva. [33]
Pueden variar desde unos pocos centímetros hasta unas pocas pulgadas y proporcionan movimiento en una pecera de agua dulce. [34]
El danio cebra también se utilizó para fabricar peces genéticamente modificados y fue la primera especie que se vendió como GloFish (pez de colores fluorescentes).
A finales de 2003, el pez cebra transgénico que expresa proteínas fluorescentes verdes , rojas y amarillas estuvo disponible comercialmente en los Estados Unidos. Las cepas fluorescentes llevan el nombre comercial GloFish ; otras variedades cultivadas incluyen "golden", "sandy", "longfin" y "leopard".
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El leopardo danio, anteriormente conocido como Danio frankei , es una forma de color manchado del pez cebra que surgió debido a una mutación de pigmento. [35] Las formas xantísticas de los patrones de cebra y leopardo, junto con cepas de aletas largas, se han obtenido mediante programas de reproducción selectiva para el comercio de acuarios. [36]
Varias cepas transgénicas y mutantes de pez cebra se almacenaron en el Centro de Recursos del Pez Cebra de China (CZRC), una organización sin fines de lucro, que contó con el apoyo conjunto del Ministerio de Ciencia y Tecnología de China y la Academia de Ciencias de China . [ cita necesaria ]
La Red de información sobre el pez cebra ( ZFIN ) proporciona información actualizada sobre las cepas de tipo salvaje (WT) conocidas actualmente de D. rerio , algunas de las cuales se enumeran a continuación. [37]
Los híbridos entre diferentes especies de Danio pueden resultar fértiles: por ejemplo, entre D. rerio y D. nigrofasciatus . [10]
D. rerio es un organismo modelo científico común y útil para estudios del desarrollo de vertebrados y la función genética . Su uso como animal de laboratorio fue iniciado por el biólogo molecular estadounidense George Streisinger y sus colegas de la Universidad de Oregón en las décadas de 1970 y 1980; Los clones de pez cebra de Streisinger estuvieron entre los primeros clones de vertebrados exitosos creados. [38] Su importancia se ha consolidado mediante exámenes genéticos avanzados exitosos a gran escala (comúnmente conocidos como exámenes de Tübingen/Boston). El pez tiene una base de datos en línea dedicada a información genética, genómica y de desarrollo, la Red de Información del Pez Cebra (ZFIN). El Centro Internacional de Recursos del Pez Cebra (ZIRC) es un depósito de recursos genéticos con 29.250 alelos disponibles para su distribución a la comunidad de investigación. D. rerio es también una de las pocas especies de peces que han sido enviadas al espacio .
La investigación con D. rerio ha producido avances en los campos de la biología del desarrollo , la oncología , [39] toxicología , [29] [40] [41] estudios reproductivos, teratología , genética , neurobiología , ciencias ambientales , investigación con células madre , medicina regenerativa , [42] [43] distrofias musculares [44] y teoría evolutiva . [10]
Como sistema biológico modelo, el pez cebra presenta numerosas ventajas para los científicos. Su genoma ha sido completamente secuenciado y tiene comportamientos de desarrollo bien comprendidos, fácilmente observables y comprobables. Su desarrollo embrionario es muy rápido, y sus embriones son relativamente grandes, robustos y transparentes, y capaces de desarrollarse fuera de su madre. [45] Además, se encuentran fácilmente disponibles cepas mutantes bien caracterizadas.
Otras ventajas incluyen el tamaño casi constante de la especie durante el desarrollo temprano, lo que permite utilizar técnicas de tinción simples , y el hecho de que su embrión bicelular puede fusionarse en una sola célula para crear un embrión homocigoto . Los embriones de pez cebra son transparentes y se desarrollan fuera del útero, lo que permite a los científicos estudiar los detalles del desarrollo desde la fertilización y continuando durante todo el desarrollo. El pez cebra también es demostrablemente similar a los modelos de mamíferos y a los humanos en las pruebas de toxicidad, y exhibe un ciclo de sueño diurno con similitudes con el comportamiento del sueño de los mamíferos. [46] Sin embargo, el pez cebra no es un modelo de investigación universalmente ideal; Su uso científico presenta una serie de desventajas, como la ausencia de una dieta estándar [47] y la presencia de pequeñas pero importantes diferencias entre el pez cebra y los mamíferos en las funciones de algunos genes relacionados con los trastornos humanos. [48] [49]
El pez cebra tiene la capacidad de regenerar las células ciliadas de su corazón y de la línea lateral durante sus etapas larvarias. [50] [51] El proceso regenerativo cardíaco probablemente involucra vías de señalización como Notch y Wnt ; Los cambios hemodinámicos en el corazón dañado son detectados por las células endoteliales ventriculares y sus cilios cardíacos asociados a través del canal iónico mecanosensible TRPV4 , lo que posteriormente facilita la vía de señalización de Notch a través de KLF2 y activa varios efectores posteriores como BMP-2 y HER2/neu . [52] En 2011, la British Heart Foundation llevó a cabo una campaña publicitaria publicitando su intención de estudiar la aplicabilidad de esta capacidad a los humanos, afirmando que su objetivo era recaudar £50 millones en financiación para la investigación. [53] [54]
También se ha descubierto que el pez cebra regenera células fotorreceptoras y neuronas de la retina después de una lesión, lo que se ha demostrado que está mediado por la desdiferenciación y proliferación de la glía de Müller . [55] Los investigadores con frecuencia amputan las aletas caudales dorsal y ventral y analizan su nuevo crecimiento para detectar mutaciones. Se ha descubierto que la desmetilación de histonas se produce en el lugar de la amputación, lo que cambia las células del pez cebra a un estado "activo" y regenerativo similar a las células madre. [56] [57] En 2012, científicos australianos publicaron un estudio que revela que el pez cebra utiliza una proteína especializada , conocida como factor de crecimiento de fibroblastos , para garantizar que su médula espinal sane sin cicatrices gliales después de una lesión. [5] [58] Además, también se ha descubierto que las células ciliadas de la línea lateral posterior se regeneran después de un daño o alteración del desarrollo. [51] [59] El estudio de la expresión génica durante la regeneración ha permitido la identificación de varias vías de señalización importantes implicadas en el proceso, como la señalización Wnt y el factor de crecimiento de fibroblastos . [59] [60]
Al investigar los trastornos del sistema nervioso, incluidas las enfermedades neurodegenerativas, los trastornos del movimiento, los trastornos psiquiátricos y la sordera, los investigadores están utilizando el pez cebra para comprender cómo los defectos genéticos subyacentes a estas afecciones causan anomalías funcionales en el cerebro, la médula espinal y los órganos sensoriales humanos. [61] [62] [63] [64] Los investigadores también han estudiado el pez cebra para obtener nuevos conocimientos sobre las complejidades de las enfermedades musculoesqueléticas humanas, como la distrofia muscular . [65] Otro objetivo de la investigación del pez cebra es comprender cómo un gen llamado Hedgehog , una señal biológica que subyace a varios cánceres humanos, controla el crecimiento celular.
No se han desarrollado cepas endogámicas ni cepas consanguíneas tradicionales para el pez cebra de laboratorio, y la variabilidad genética de las líneas de tipo salvaje entre instituciones puede contribuir a la crisis de replicación en la investigación biomédica. [66] Las diferencias genéticas en líneas de tipo salvaje entre poblaciones mantenidas en diferentes instituciones de investigación se han demostrado mediante polimorfismos de un solo nucleótido [67] y análisis de microsatélites . [68]
Debido a sus ciclos de vida rápidos y cortos y a sus nidadas relativamente grandes, D. rerio o pez cebra son un modelo útil para estudios genéticos. Una técnica común de genética inversa consiste en reducir la expresión genética o modificar el empalme utilizando tecnología antisentido Morfolino . Los oligonucleótidos morfolino (MO) son macromoléculas sintéticas estables que contienen las mismas bases que el ADN o el ARN; al unirse a secuencias de ARN complementarias, pueden reducir la expresión de genes específicos o impedir que se produzcan otros procesos en el ARN. MO se puede inyectar en una célula de un embrión después de la etapa de 32 células, reduciendo la expresión genética únicamente en las células que descienden de esa célula. Sin embargo, las células del embrión temprano (menos de 32 células) son permeables a moléculas grandes, [69] [70], lo que permite la difusión entre células. Las pautas para el uso de Morpholinos en el pez cebra describen estrategias de control apropiadas. [71] Los morfolinos comúnmente se microinyectan en 500 pl directamente en embriones de pez cebra en etapa de 1 a 2 células. El morfolino es capaz de integrarse en la mayoría de las células del embrión. [72]
Un problema conocido con la desactivación de genes es que, debido a que el genoma sufrió una duplicación después de la divergencia de los peces con aletas radiadas y los peces con aletas lobuladas , no siempre es fácil silenciar de manera confiable la actividad de uno de los dos parálogos genéticos debido a la complementación por el otro parálogo. [73] A pesar de las complicaciones del genoma del pez cebra , existen varias plataformas globales disponibles comercialmente para el análisis de la expresión genética mediante micromatrices y la regulación del promotor utilizando ChIP-on-chip . [74]
El Instituto Wellcome Trust Sanger inició el proyecto de secuenciación del genoma del pez cebra en 2001, y la secuencia completa del genoma de la cepa de referencia de Tubinga está disponible públicamente en la página del genoma del pez cebra del Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI). La secuencia del genoma de referencia del pez cebra está anotada como parte del proyecto Ensembl y es mantenida por el Genome Reference Consortium . [75]
En 2009, investigadores del Instituto de Genómica y Biología Integrativa de Delhi, India, anunciaron la secuenciación del genoma de una cepa de pez cebra salvaje, que contiene aproximadamente 1.700 millones de letras genéticas. [76] [77] El genoma del pez cebra salvaje se secuenció con una cobertura de 39 veces. El análisis comparativo con el genoma de referencia del pez cebra reveló más de 5 millones de variaciones de un solo nucleótido y más de 1,6 millones de variaciones de inserción y eliminación. La secuencia del genoma de referencia del pez cebra de 1,4 GB y más de 26.000 genes codificantes de proteínas fue publicada por Kerstin Howe et al. en 2013. [78]
En octubre de 2001, investigadores de la Universidad de Oklahoma publicaron la secuencia completa del ADN mitocondrial de D. rerio . [79] Su longitud es de 16.596 pares de bases. Esto está dentro de los 100 pares de bases de otras especies de peces relacionadas y, en particular, es sólo 18 pares más largo que el pez dorado ( Carassius auratus ) y 21 más largo que la carpa ( Cyprinus carpio ). Su orden y contenido genético son idénticos a la forma común de ADN mitocondrial en los vertebrados . Contiene 13 genes codificadores de proteínas y una región de control no codificante que contiene el origen de replicación de la cadena pesada. Entre un grupo de cinco genes de ARNt se encuentra una secuencia que se asemeja al origen de la replicación de la cadena ligera en los vertebrados. Es difícil sacar conclusiones evolutivas porque es difícil determinar si los cambios en los pares de bases tienen un significado adaptativo mediante comparaciones con las secuencias de nucleótidos de otros vertebrados . [79]
Las cajas T y las homeobox son vitales en Danio al igual que en otros vertebrados. [80] [81] Bruce et al. El equipo es conocido por esta área, y en Bruce et al. 2003 y Bruce et al. 2005 descubren el papel de dos de estos elementos en los ovocitos de esta especie. [80] [81] Al interferir a través de un alelo dominante no funcional y un morfolino , descubren que el activador de la transcripción de la caja T, Eomesodermin , y su objetivo mtx2 , un factor de transcripción , son vitales para la epibolia . [80] [81] (En Bruce et al. 2003 no lograron respaldar la posibilidad de que Eomesodermin se comporte como Vegt. [80] Ni ellos ni nadie más ha podido localizar ninguna mutación que, en la madre, impida el inicio de los procesos de desarrollo del mesodermo o endodermo en esta especie.) [80]
En 1999, se identificó la mutación del nácar en el ortólogo del pez cebra del factor de transcripción MITF de mamíferos . [82] Las mutaciones en el MITF humano provocan defectos oculares y pérdida de pigmento, un tipo de síndrome de Waardenburg . En diciembre de 2005, un estudio de la cepa dorada identificó el gen responsable de su pigmentación inusual como SLC24A5 , un portador de soluto que parecía ser necesario para la producción de melanina , y confirmó su función con una eliminación de Morfolino. Luego se caracterizó el gen ortólogo en humanos y se encontró que una diferencia de un par de bases segregaba fuertemente a los europeos de piel clara y a los africanos de piel oscura. [83] Desde entonces, el pez cebra con la mutación nácar se ha criado con peces con una mutación roy orbison (roy) para producir peces de la cepa Casper que no tienen melanóforos ni iridóforos y son transparentes hasta la edad adulta. Estos peces se caracterizan por tener ojos pigmentados uniformemente y piel translúcida. [7] [84]
La transgénesis es un enfoque popular para estudiar la función de los genes en el pez cebra. La construcción de pez cebra transgénico es bastante sencilla mediante un método que utiliza el sistema de transposones Tol2 . Elemento Tol2 que codifica un gen para una transposasa completamente funcional capaz de catalizar la transposición en el linaje germinal del pez cebra. Tol2 es el único elemento transponible de ADN natural en vertebrados del que se ha identificado un miembro autónomo. [85] [86] Los ejemplos incluyen la interacción artificial producida entre LEF1 y Catenin beta-1 /β-catenin/ CTNNB1 . Dorsky y cols. 2002 investigó el papel en el desarrollo de Wnt mediante la expresión transgénica de un indicador Lef1/β-catenina. [87]
Existen protocolos bien establecidos para editar genes de pez cebra utilizando CRISPR-Cas9 [88] y esta herramienta se ha utilizado para generar modelos genéticamente modificados.
En 2008, investigadores del Boston Children's Hospital desarrollaron una nueva cepa de pez cebra, llamada Casper, cuyos cuerpos adultos tenían la piel transparente. [7] Esto permite una visualización detallada de la actividad celular, la circulación, la metástasis y muchos otros fenómenos. [7] En 2019, los investigadores publicaron un cruce de una cepa prkdc -/- y una IL2rga -/- que produjo una descendencia transparente e inmunodeficiente, que carecía de células asesinas naturales , así como de células B y T. Esta cepa se puede adaptar a agua tibia a 37 °C (99 °F) y la ausencia de un sistema inmunológico hace posible el uso de xenoinjertos derivados de pacientes . [89] En enero de 2013, científicos japoneses modificaron genéticamente un espécimen de pez cebra transparente para producir un brillo visible durante períodos de intensa actividad cerebral. [8]
En enero de 2007, investigadores chinos de la Universidad de Fudan modificaron genéticamente el pez cebra para detectar la contaminación de estrógenos en lagos y ríos, que está relacionada con la infertilidad masculina. Los investigadores clonaron genes sensibles a los estrógenos y los inyectaron en huevos fértiles de pez cebra. El pescado modificado se volvió verde si se colocaba en agua contaminada con estrógenos. [6]
En 2015, investigadores de la Universidad de Brown descubrieron que el 10% de los genes del pez cebra no necesitan depender de la proteína U2AF2 para iniciar el empalme del ARN . Estos genes tienen los pares de bases de ADN AC y TG como secuencias repetidas en los extremos de cada intrón . En el 3's (sitio de empalme 3'), los pares de bases adenina y citosina se alternan y repiten, y en el 5's (sitio de empalme 5'), sus complementos timina y guanina también se alternan y repiten. Descubrieron que había menos dependencia de la proteína U2AF2 que en los humanos, en los que se necesita la proteína para que se produzca el proceso de empalme. El patrón de repetición de pares de bases alrededor de los intrones que altera la estructura secundaria del ARN se encontró en otros teleósteos , pero no en los tetrápodos . Esto indica que un cambio evolutivo en los tetrápodos puede haber llevado a que los humanos dependieran de la proteína U2AF2 para el empalme del ARN, mientras que estos genes en el pez cebra se empalman independientemente de la presencia de la proteína. [90]
D. rerio tiene tres transferrinas , todas las cuales se agrupan estrechamente con otros vertebrados . [91]
Cuando los parientes cercanos se aparean, la progenie puede presentar los efectos perjudiciales de la depresión endogámica . La depresión endogámica es causada predominantemente por la expresión homocigótica de alelos nocivos recesivos. [92] Para el pez cebra, se podría esperar que la depresión endogámica sea más grave en ambientes estresantes, incluidos aquellos causados por la contaminación antropogénica . La exposición del pez cebra al estrés ambiental inducido por el químico clotrimazol, un fungicida de imidazol utilizado en agricultura y en medicina veterinaria y humana, amplificó los efectos de la endogamia en rasgos reproductivos clave. [93] La viabilidad embrionaria se redujo significativamente en los peces consanguíneos expuestos y había una tendencia entre los machos consanguíneos a engendrar menos descendencia.
El pez cebra es un modelo común para la investigación en piscicultura , incluidos patógenos [94] [95] [96] y parásitos [94] [96] que causan pérdida de rendimiento o se propagan a poblaciones silvestres adyacentes.
Esta utilidad es menor de lo que podría deberse a la distancia taxonómica de Danio de las especies acuícolas más comunes. [95] Debido a que los más comunes son los salmónidos y el bacalao en Protacanthopterygii y la lubina , la dorada , la tilapia y los peces planos en Percomorpha , los resultados del pez cebra pueden no ser perfectamente aplicables. [95] Varios otros modelos – Pez dorado ( Carassius auratus ), Medaka ( Oryzias latipes ), Espinoso ( Gasterosteus aculeatus ), Cucaracha ( Rutilus rutilus ), Pez globo ( Takifugu rubripes ), Cola espada ( Xiphophorus hellerii ) – normalmente se utilizan menos, pero serían más cerca de determinadas especies objetivo. [96]
La única excepción es la carpa (incluida la carpa herbívora, Ctenopharyngodon idella ) [95] y el chano ( Chanos chanos ) [96] que son bastante similares, ambos pertenecen a la familia Cyprinidae . Sin embargo, también cabe señalar que Danio demuestra ser un modelo útil para los mamíferos en muchos casos y que existe una distancia genética mucho mayor entre ellos que entre Danio y cualquier pez de piscifactoría. [95]
En un mutante defectuoso en el receptor de glucocorticoides con comportamiento exploratorio reducido , la fluoxetina rescató el comportamiento exploratorio normal. [97] Esto demuestra las relaciones entre los glucocorticoides, la fluoxetina y la exploración en este pez. [97]
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El pez cebra y la larva del pez cebra son un organismo modelo adecuado para el descubrimiento y desarrollo de fármacos. Como vertebrado con un 70% de homología genética con los humanos, [78] puede predecir la salud y las enfermedades humanas, mientras que su pequeño tamaño y rápido desarrollo facilita experimentos a una escala mayor y más rápida que con estudios in vivo más tradicionales , incluido el desarrollo. de herramientas de investigación automatizadas de mayor rendimiento. [98] [99] Como lo demuestran los programas de investigación en curso, el modelo del pez cebra permite a los investigadores no solo identificar genes que podrían ser la base de las enfermedades humanas, sino también desarrollar nuevos agentes terapéuticos en programas de descubrimiento de fármacos. [100] Los embriones de pez cebra han demostrado ser un modelo de ensayo de teratología rápido, rentable y confiable . [101]
Las pruebas de detección de fármacos en el pez cebra se pueden utilizar para identificar nuevas clases de compuestos con efectos biológicos o para reutilizar fármacos existentes para usos novedosos; un ejemplo de esto último sería un examen que encontró que una estatina comúnmente utilizada ( rosuvastatina ) puede suprimir el crecimiento del cáncer de próstata . [102] Hasta la fecha, se han llevado a cabo 65 exámenes de detección de moléculas pequeñas y al menos uno ha dado lugar a ensayos clínicos. [103] Dentro de estas pantallas, quedan muchos desafíos técnicos por resolver, incluidas diferentes tasas de absorción de fármacos que resultan en niveles de exposición interna que no se pueden extrapolar de la concentración de agua, y altos niveles de variación natural entre animales individuales. [103]
Para comprender los efectos de los medicamentos, la exposición interna a los mismos es esencial, ya que impulsa el efecto farmacológico. Traducir los resultados experimentales del pez cebra a los vertebrados superiores (como los humanos) requiere relaciones concentración-efecto, que pueden derivarse de análisis farmacocinéticos y farmacodinámicos . [4] Sin embargo, debido a su pequeño tamaño, es muy difícil cuantificar la exposición interna al fármaco. Tradicionalmente, se tomarían múltiples muestras de sangre para caracterizar el perfil de concentración del fármaco a lo largo del tiempo, pero esta técnica aún está por desarrollarse. Hasta la fecha, sólo se ha desarrollado un modelo farmacocinético para paracetamol en larvas de pez cebra. [104]
Utilizando métodos inteligentes de análisis de datos, los procesos fisiopatológicos y farmacológicos pueden comprenderse y trasladarse posteriormente a los vertebrados superiores, incluidos los humanos. [4] [105] Un ejemplo es el uso de la farmacología de sistemas , que es la integración de la biología de sistemas y la farmacometría . La biología de sistemas caracteriza (parte de) un organismo mediante una descripción matemática de todos los procesos relevantes. Estas pueden ser, por ejemplo, diferentes vías de transducción de señales que, ante una señal específica, conducen a una determinada respuesta. Cuantificando estos procesos se puede entender y predecir su comportamiento en situaciones de salud y enfermedad. La farmacometría utiliza datos de experimentos preclínicos y ensayos clínicos para caracterizar los procesos farmacológicos que subyacen a la relación entre la dosis del fármaco y su respuesta o resultado clínico. Estos pueden ser, por ejemplo, la absorción o eliminación del fármaco en el organismo, o su interacción con el objetivo para lograr un determinado efecto. Al cuantificar estos procesos, se puede comprender y predecir su comportamiento después de diferentes dosis o en diferentes pacientes para nuevas dosis o pacientes. Al integrar estos dos campos, la farmacología de sistemas tiene el potencial de mejorar la comprensión de la interacción del fármaco con el sistema biológico mediante la cuantificación matemática y la posterior predicción de nuevas situaciones, como nuevos fármacos o nuevos organismos o pacientes. Utilizando estos métodos computacionales, el análisis mencionado anteriormente de la exposición interna al paracetamol en larvas de pez cebra mostró una correlación razonable entre la eliminación de paracetamol en el pez cebra con la de los vertebrados superiores, incluidos los humanos. [104]
El pez cebra se ha utilizado para crear varios modelos transgénicos de cáncer, incluidos melanoma , leucemia , cáncer de páncreas y carcinoma hepatocelular . [106] [107] El pez cebra que expresa formas mutadas de los oncogenes BRAF o NRAS desarrolla melanoma cuando se coloca sobre un fondo deficiente en p53. Histológicamente , estos tumores se parecen mucho a la enfermedad humana, son totalmente trasplantables y exhiben alteraciones genómicas a gran escala. El modelo de melanoma BRAF se utilizó como plataforma para dos análisis publicados en marzo de 2011 en la revista Nature . En un estudio, el modelo se utilizó como herramienta para comprender la importancia funcional de genes que se sabe están amplificados y sobreexpresados en el melanoma humano. [108] Un gen, SETDB1, aceleró notablemente la formación de tumores en el sistema del pez cebra, lo que demuestra su importancia como un nuevo oncogén de melanoma. Esto fue particularmente significativo porque se sabe que SETDB1 está involucrado en la regulación epigenética que cada vez se considera más central para la biología de las células tumorales.
En otro estudio, se hizo un esfuerzo para apuntar terapéuticamente al programa genético presente en las células de la cresta neural de origen del tumor mediante un enfoque de detección química. [109] Esto reveló que una inhibición de la proteína DHODH (por una pequeña molécula llamada leflunomida) impidió el desarrollo de las células madre de la cresta neural que finalmente dan lugar al melanoma a través de la interferencia con el proceso de elongación transcripcional. Debido a que este enfoque apuntaría a la "identidad" de la célula del melanoma en lugar de a una única mutación genética, la leflunomida puede tener utilidad en el tratamiento del melanoma humano. [110]
En la investigación cardiovascular, el pez cebra se ha utilizado para modelar el modelo de infarto de miocardio humano. El corazón del pez cebra se regenera completamente después de aproximadamente 2 meses de lesión sin que se formen cicatrices. [111] El mecanismo de señalización adrenérgico alfa-1 implicado en este proceso se identificó en un estudio de 2023. [112] El pez cebra también se utiliza como modelo para la coagulación sanguínea , el desarrollo de vasos sanguíneos y las enfermedades congénitas del corazón y los riñones . [113]
En programas de investigación sobre la inflamación aguda , un importante proceso subyacente en muchas enfermedades, los investigadores han establecido un modelo de inflamación del pez cebra y su resolución. Este enfoque permite un estudio detallado de los controles genéticos de la inflamación y la posibilidad de identificar posibles nuevos fármacos. [114]
El pez cebra se ha utilizado ampliamente como organismo modelo para estudiar la inmunidad innata de los vertebrados. El sistema inmunológico innato es capaz de realizar actividad fagocítica entre 28 y 30 h después de la fertilización (hpf) [115], mientras que la inmunidad adaptativa no está funcionalmente madura hasta al menos 4 semanas después de la fertilización. [116]
Como el sistema inmunológico está relativamente conservado entre el pez cebra y los humanos, muchas enfermedades infecciosas humanas se pueden modelar en el pez cebra. [117] [118] [119] [120] Las primeras etapas de la vida transparentes son muy adecuadas para la obtención de imágenes in vivo y la disección genética de las interacciones huésped-patógeno. [121] [122] [123] [124] Ya se han establecido modelos de pez cebra para una amplia gama de patógenos bacterianos, virales y parásitos; por ejemplo, el modelo del pez cebra para la tuberculosis proporciona conocimientos fundamentales sobre los mecanismos de patogénesis de las micobacterias. [125] [126] [127] [128] Además, se ha desarrollado tecnología robótica para la detección de fármacos antimicrobianos de alto rendimiento utilizando modelos de infección de pez cebra. [129] [130]
Otra característica notable del pez cebra es que posee cuatro tipos de células cónicas , con células sensibles a los rayos ultravioleta que complementan los subtipos de células cónicas rojas, verdes y azules que se encuentran en los humanos. De este modo, el pez cebra puede observar un espectro de colores muy amplio. También se estudia la especie para comprender mejor el desarrollo de la retina; en particular, cómo se organizan las células cónicas de la retina en el llamado "mosaico de conos". El pez cebra, además de otros peces teleósteos , se destaca particularmente por tener una extrema precisión en la disposición de las células de los conos. [131]
Este estudio de las características retinianas del pez cebra también se ha extrapolado a la investigación médica. En 2007, investigadores del University College de Londres cultivaron un tipo de célula madre adulta de pez cebra que se encuentra en los ojos de peces y mamíferos y que se convierte en neuronas en la retina. Estos podrían inyectarse en el ojo para tratar enfermedades que dañan las neuronas de la retina (casi todas las enfermedades del ojo, incluida la degeneración macular , el glaucoma y la ceguera relacionada con la diabetes ). Los investigadores estudiaron las células gliales de Müller en los ojos de humanos de entre 18 meses y 91 años y pudieron desarrollarlas para convertirlas en todo tipo de neuronas retinianas. También pudieron cultivarlos fácilmente en el laboratorio. Las células madre migraron con éxito a las retinas de ratas enfermas y adquirieron las características de las neuronas circundantes. El equipo afirmó que tenían la intención de desarrollar el mismo enfoque en humanos. [132] [133]
Las distrofias musculares (DM) son un grupo heterogéneo de trastornos genéticos que causan debilidad muscular, contracciones anormales y atrofia muscular, lo que a menudo conduce a la muerte prematura. El pez cebra se utiliza ampliamente como organismo modelo para estudiar distrofias musculares. [44] Por ejemplo, el mutante sapje ( sap ) es el ortólogo del pez cebra de la distrofia muscular de Duchenne humana (DMD). [134] Machuca-Tzili y sus colaboradores aplicaron el pez cebra para determinar el papel del factor de empalme alternativo, MBNL, en la patogénesis de la distrofia miotónica tipo 1 (DM1). [135] Más recientemente, Todd et al. describieron un nuevo modelo de pez cebra diseñado para explorar el impacto de la expresión repetida de CUG durante el desarrollo temprano en la enfermedad DM1. [136] El pez cebra también es un excelente modelo animal para estudiar distrofias musculares congénitas, incluida la CMD tipo 1 A (CMD 1A), causada por una mutación en el gen de la laminina α2 humana (LAMA2). [137] El pez cebra, debido a sus ventajas discutidas anteriormente, y en particular la capacidad de los embriones de pez cebra para absorber sustancias químicas, se ha convertido en un modelo de elección en la detección y prueba de nuevos medicamentos contra las distrofias musculares. [138]
El pez cebra se ha utilizado como organismo modelo para el metabolismo óseo, el recambio tisular y la actividad de resorción. Estos procesos se conservan en gran medida evolutivamente. Se han utilizado para estudiar la osteogénesis (formación ósea), evaluar la diferenciación, la actividad de deposición de matrices y la interacción de las células esqueléticas, para crear y aislar mutantes que modelen enfermedades óseas humanas y probar nuevos compuestos químicos para determinar su capacidad de revertir defectos óseos. [139] [140] Las larvas se pueden utilizar para seguir la formación de nuevos osteoblastos ( de novo ) durante el desarrollo óseo. Comienzan a mineralizar elementos óseos tan pronto como 4 días después de la fertilización. Recientemente, el pez cebra adulto se está utilizando para estudiar enfermedades óseas complejas relacionadas con la edad, como la osteoporosis y la osteogénesis imperfecta . [141] Las escamas (elasmoides) del pez cebra funcionan como una capa externa protectora y son pequeñas placas óseas formadas por osteoblastos. Estas estructuras exoesqueléticas están formadas por osteoblastos que depositan matriz ósea y son remodeladas por osteoclastos. Las escamas también actúan como principal depósito de calcio del pescado. Se pueden cultivar ex vivo (mantenerse vivos fuera del organismo) en una placa de múltiples pocillos, lo que permite la manipulación de fármacos e incluso la detección de nuevos fármacos que podrían cambiar el metabolismo óseo (entre osteoblastos y osteoclastos). [141] [142] [143]
El desarrollo del páncreas del pez cebra es muy homólogo al de los mamíferos, como los ratones. Los mecanismos de señalización y la forma en que funciona el páncreas son muy similares. El páncreas tiene un compartimento endocrino que contiene una variedad de células. Las células PP pancreáticas que producen polipéptidos y las células β que producen insulina son dos ejemplos de esas células. Esta estructura del páncreas, junto con el sistema de homeostasis de la glucosa, son útiles para estudiar enfermedades, como la diabetes, relacionadas con el páncreas. Los modelos de función del páncreas, como la tinción fluorescente de proteínas, son útiles para determinar los procesos de homeostasis de la glucosa y el desarrollo del páncreas. Se han desarrollado pruebas de tolerancia a la glucosa utilizando pez cebra y ahora se pueden utilizar para detectar intolerancia a la glucosa o diabetes en humanos. También se está probando la función de la insulina en el pez cebra, lo que contribuirá aún más a la medicina humana. La mayor parte del trabajo realizado en torno al conocimiento sobre la homeostasis de la glucosa proviene de trabajos con peces cebra transferidos a humanos. [144]
El pez cebra se ha utilizado como sistema modelo para estudiar la obesidad, con investigaciones tanto sobre la obesidad genética como sobre la obesidad inducida por la sobrenutrición. El pez cebra obeso, al igual que los mamíferos obesos, muestra una desregulación de las vías metabólicas que controlan los lípidos, lo que conduce a un aumento de peso sin un metabolismo normal de los lípidos. [144] También al igual que los mamíferos, el pez cebra almacena el exceso de lípidos en depósitos adiposos viscerales, intramusculares y subcutáneos. Estas y otras razones hacen del pez cebra buenos modelos para estudiar la obesidad en humanos y otras especies. La obesidad genética suele estudiarse en peces cebra transgénicos o mutados con genes obesogénicos. Como ejemplo, el pez cebra transgénico con AgRP sobreexpresado, un antagonista endógeno de la melanocortina, mostró un aumento de peso corporal y deposición adiposa durante el crecimiento. [144] Aunque los genes del pez cebra pueden no ser exactamente los mismos que los genes humanos, estas pruebas podrían proporcionar información importante sobre las posibles causas genéticas y tratamientos para la obesidad genética humana. [144] Los modelos de pez cebra con obesidad inducida por la dieta son útiles, ya que la dieta puede modificarse desde una edad muy temprana. Tanto las dietas ricas en grasas como las dietas con sobrealimentación general muestran rápidos aumentos en la deposición adiposa, aumento del IMC, hepatoesteatosis e hipertrigliceridemia. [144] Sin embargo, los especímenes con grasa normal y sobrealimentados siguen siendo metabólicamente sanos, mientras que los especímenes con dieta alta en grasas no lo son. [144] Comprender las diferencias entre los tipos de obesidad inducida por la alimentación podría resultar útil en el tratamiento humano de la obesidad y las condiciones de salud relacionadas. [144]
El pez cebra se ha utilizado como sistema modelo en estudios de toxicología ambiental . [29]
El pez cebra se ha utilizado como sistema modelo para estudiar la epilepsia. Las convulsiones en mamíferos se pueden recapitular molecular, conductual y electrofisiológicamente, utilizando una fracción de los recursos necesarios para los experimentos en mamíferos. [145]
