El pez cebra ( Danio rerio ) es un pez de agua dulce perteneciente a la familia de los peces pequeños ( Ciprínidos ) del orden de los Cipriniformes . Originario del sur de Asia, [2] es un pez de acuario popular , que se vende con frecuencia bajo el nombre comercial de danio cebra [3] (y por ello se le suele llamar " 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 la función genética, oncología , teratología y desarrollo de fármacos , en particular el desarrollo preclínico . [4] También es notable 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 Himalaya meridional , desde la cuenca del río Sutlej en la región fronteriza entre Pakistán e India hasta el estado de Arunachal Pradesh en el noreste de 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 área de distribución más al sur es más local, con registros dispersos de las regiones de los Ghats occidentales y orientales. [13] [14] Con frecuencia se ha dicho que se encuentra en Myanmar (Birmania), pero esto se basa completamente en registros anteriores a 1930 y probablemente se refiere a parientes cercanos descritos solo más tarde, en particular Danio kyathit . [13] [15] [16] [17] Asimismo, los registros antiguos [ aclaración necesaria ] de Sri Lanka son altamente cuestionables y permanecen sin confirmar. [15]
El pez cebra se ha introducido en California, Connecticut, Florida y Nuevo México en los Estados Unidos, presumiblemente mediante liberación deliberada por parte de acuaristas o por escape de granjas de peces . La población de Nuevo México había sido extirpada en 2003 y no está claro si las otras sobreviven, ya que los últimos registros publicados fueron hace décadas. [18] En otros lugares, la especie se ha introducido en Colombia y Malasia. [12] [19]
El pez cebra generalmente habita en aguas claras de flujo moderado a estancadas de profundidad bastante baja en arroyos, canales, zanjas, lagos en forma de meandro , estanques y arrozales . [13] [19] [20] Por lo general, hay 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 los estudios de las ubicaciones del pez cebra en gran parte de su distribución en Bangladesh y la India, el agua tenía un pH casi neutro a algo básico y, en su mayoría, variaba de 16,5 a 34 °C (61,7–93,2 °F) de temperatura. [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 registró en uno de los lugares más altos conocidos para el pez cebra, a 1.576 m (5.171 pies) sobre el nivel del mar, aunque se ha registrado que la especie se encuentra a 1.795 m (5.889 pies). [13]
El pez cebra recibe su nombre por las cinco rayas horizontales, pigmentadas y uniformes de color azul que tiene en el costado del cuerpo, que recuerdan a las rayas 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 rayas doradas entre las rayas azules; la hembra tiene un vientre más grande y blanquecino y rayas plateadas en lugar de doradas. Las hembras adultas exhiben una pequeña papila genital frente al origen de la aleta anal . El pez cebra puede alcanzar hasta 4-5 cm (1,6-2,0 pulgadas) de longitud, [16] aunque típicamente miden 1,8-3,7 cm (0,7-1,5 pulgadas) en estado salvaje con algunas variaciones según la ubicación. [ cita requerida ] Su esperanza de vida en cautiverio es de alrededor de dos a tres años, aunque en condiciones ideales, puede extenderse a más de cinco años. [20] [22] En estado salvaje es típicamente una especie anual. [1]
En 2015 se publicó un estudio sobre la capacidad de los peces cebra para la memoria episódica . Los individuos mostraron una 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. 2009 descubrieron que esos estímulos incluyen las señales de la línea lateral y las señales visuales consistentes con objetos que se aproximan de Temizer et al. 2015, Dunn et al. 2016 y Yao et al. 2016. [24]
El tiempo de generación aproximado de Danio rerio es de tres meses. Un macho debe estar presente para que se produzca la ovulación y el desove . Los peces cebra son reproductores asincrónicos [25] y en condiciones óptimas (como la disponibilidad de alimentos y parámetros de agua favorables) pueden desovar con éxito con frecuencia, incluso a diario. [26] Las hembras pueden desovar a intervalos de dos a tres días, poniendo cientos de huevos en cada puesta . Tras la liberación, comienza el desarrollo embrionario; en ausencia de esperma, el crecimiento se detiene después de las primeras divisiones celulares. Los huevos fertilizados casi inmediatamente se vuelven transparentes, una característica que hace de D. rerio 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 sistema ZW o XY simple. [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 sola 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). Las células luego migran por 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 usa 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 estimular a los peces a desovar, algunos investigadores utilizan una pecera con un inserto de fondo deslizante, que reduce la profundidad de la piscina para simular la orilla de un río. Los peces cebra desovan 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 peces cebra machos responden a marcas más pronunciadas en las hembras, es decir, "buenas rayas", pero en un grupo, los machos se aparean con cualquier hembra que puedan encontrar. Lo que atrae a las hembras no se entiende actualmente. La presencia de plantas, incluso plantas de plástico, aparentemente también fomenta el desove. [28]
La exposición a concentraciones ambientalmente relevantes de ftalato de diisononilo (DINP), comúnmente utilizado en una gran variedad de artículos plásticos, altera el sistema endocannabinoide y, por lo tanto, afecta la reproducción de una manera específica para cada sexo. [30]
Las prácticas de alimentación del pez cebra varían significativamente en las diferentes etapas de desarrollo, lo que refleja sus cambiantes necesidades nutricionales. Para las larvas recién nacidas, que comienzan a alimentarse aproximadamente a los 5 días posteriores a la fertilización (dpf), se utilizan comúnmente presas vivas pequeñas como Paramecium o rotíferos hasta que alcanzan los 9-15 dpf. [31] Esta dieta temprana es crucial para su crecimiento y supervivencia, ya que estos pequeños organismos proporcionan nutrientes esenciales. A medida que las larvas se desarrollan, a partir de los 15 dpf en adelante, generalmente se las cambia a una dieta que incluye nauplios de camarón en salmuera y alimentos secos, que son más equilibrados nutricionalmente y más fáciles de manejar en entornos de laboratorio. Para las larvas de 25 dpf, las tasas de alimentación pueden variar del 50% al 300% de su peso corporal (PC) por día, según su tamaño y los requisitos de crecimiento. [32] A medida que los peces cebra se convierten en juveniles (30-90 dpf), la tasa de alimentación recomendada disminuye a aproximadamente el 6-8% de su peso corporal por día, con un enfoque en alimentos secos de alta calidad que satisfagan sus necesidades de proteínas y energía. Al llegar a la edad adulta (más de 90 dpf), los peces cebra generalmente requieren una tasa de alimentación de alrededor del 5% de su peso corporal por día. A lo largo de estas etapas, es esencial ajustar el tamaño de las partículas del alimento: menos de 100 μm para las larvas recién nacidas, 100-200 μm para las que tienen entre 16 y 30 dpf, y partículas más grandes para los juveniles y adultos. Este enfoque estructurado de la alimentación no solo favorece el crecimiento y la salud óptimos, sino que también mejora la confiabilidad de los resultados experimentales en entornos de investigación [33]
Los peces cebra son peces resistentes y se consideran buenos para los acuaristas principiantes. Su duradera popularidad se puede atribuir a su disposición juguetona, [34] así como a su rápida reproducción, estética, precio económico y amplia disponibilidad. También se desarrollan bien en cardúmenes o bancos de seis o más, e interactúan bien con otras especies de peces en el acuario. Sin embargo, son susceptibles a la enfermedad de Oodinium o terciopelo, microsporidia ( Pseudoloma neurophilia ) y especies de Mycobacterium . Si se les da la oportunidad, los adultos se comen a las crías, que pueden protegerse separando los dos grupos con una red, una caja de cría o un tanque separado. En cautiverio, los peces cebra viven aproximadamente cuarenta y dos meses. Algunos peces cebra cautivos pueden desarrollar una columna vertebral curvada. [35]
Pueden medir desde unos pocos centímetros hasta unas pocas pulgadas y proporcionan movimiento en una pecera de agua dulce. [36]
El danio cebra también se utilizó para fabricar peces genéticamente modificados y fue la primera especie en venderse como GloFish (pez de colores fluorescentes).
A finales de 2003, se comercializaron en Estados Unidos peces cebra transgénicos que expresaban proteínas fluorescentes verdes , rojas y amarillas. Las cepas fluorescentes se denominan GloFish ; otras variedades cultivadas incluyen "golden", "sandy", "longfin" y "leopard".
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El danio leopardo, anteriormente conocido como Danio frankei , es una variante de color moteado del pez cebra que surgió debido a una mutación de pigmento. [37] Se han obtenido formas xantísticas tanto del patrón cebra como del leopardo, junto con cepas de aletas largas, a través de programas de cría selectiva para el comercio de acuarios. [38]
Varias cepas transgénicas y mutantes de pez cebra se almacenaron en el Centro de Recursos de Pez Cebra de China (CZRC), una organización sin fines de lucro, que recibió el apoyo conjunto del Ministerio de Ciencia y Tecnología de China y la Academia China de Ciencias . [ cita requerida ]
La Red de Información del 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. [39]
Los híbridos entre diferentes especies de Danio pueden ser 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 Oregon en los años 1970 y 1980; los clones de pez cebra de Streisinger estuvieron entre los primeros clones de vertebrados creados con éxito. [40] Su importancia se ha consolidado mediante exitosas pruebas genéticas a gran escala (comúnmente conocidas como pruebas 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 repositorio 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 se han enviado al espacio .
Las investigaciones con D. rerio han producido avances en los campos de la biología del desarrollo , la oncología , [41] la toxicología , [29] [42] [43] los estudios reproductivos, la teratología , la genética , la neurobiología , las ciencias ambientales , la investigación con células madre , la medicina regenerativa , [44] [45] las distrofias musculares [46] y la teoría evolutiva . [10]
Como sistema biológico modelo, el pez cebra posee 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. [47] Además, hay cepas mutantes bien caracterizadas disponibles.
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 de dos células se puede fusionar 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 a partir de la fertilización y durante todo el desarrollo. El pez cebra también es demostrablemente similar a los modelos 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. [48] Sin embargo, el pez cebra no es un modelo de investigación universalmente ideal; existen varias desventajas para su uso científico, como la ausencia de una dieta estándar [49] 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. [50] [51]
Los peces cebra tienen la capacidad de regenerar sus células ciliadas del corazón y de la línea lateral durante sus etapas larvarias. [52] [53] 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 , facilitando posteriormente la vía de señalización Notch a través de KLF2 y activando varios efectores posteriores como BMP-2 y HER2/neu . [54] En 2011, la British Heart Foundation realizó una campaña publicitaria publicitando su intención de estudiar la aplicabilidad de esta capacidad a los humanos, afirmando que tenía como objetivo recaudar £ 50 millones en fondos de investigación. [55] [56]
También se ha descubierto que el pez cebra regenera células fotorreceptoras y neuronas retinianas después de una lesión, lo que se ha demostrado que está mediado por la desdiferenciación y proliferación de la glía de Müller . [57] Los investigadores con frecuencia amputan las aletas caudales dorsal y ventral y analizan su recrecimiento para comprobar si hay mutaciones. Se ha descubierto que la desmetilación de histonas se produce en el sitio de la amputación, lo que cambia las células del pez cebra a un estado "activo", regenerativo, similar a las células madre. [58] [59] En 2012, científicos australianos publicaron un estudio que revelaba que el pez cebra utiliza una proteína especializada , conocida como factor de crecimiento de fibroblastos , para garantizar que sus médulas espinales se curen sin cicatrices gliales después de una lesión. [5] [60] Además, también se ha descubierto que las células ciliadas de la línea lateral posterior se regeneran después de un daño o una interrupción del desarrollo. [53] [61] El estudio de la expresión genética durante la regeneración ha permitido la identificación de varias vías de señalización importantes involucradas en el proceso, como la señalización de Wnt y el factor de crecimiento de fibroblastos . [61] [62]
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 humano, la médula espinal y los órganos sensoriales. [63] [64] [65] [66] Los investigadores también han estudiado el pez cebra para obtener nuevos conocimientos sobre las complejidades de las enfermedades musculoesqueléticas humanas, como la distrofia muscular . [67] Otro enfoque de la investigación del pez cebra es comprender cómo un gen llamado Hedgehog , una señal biológica que subyace a una serie de cánceres humanos, controla el crecimiento celular.
No se han desarrollado cepas endogámicas ni stocks exogámicos 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. [68] Se han demostrado diferencias genéticas en las líneas de tipo salvaje entre poblaciones mantenidas en diferentes instituciones de investigación utilizando polimorfismos de un solo nucleótido [69] y análisis de microsatélites . [70]
Debido a sus ciclos de vida rápidos y cortos y tamaños de puesta relativamente grandes, D. rerio o pez cebra son un modelo útil para estudios genéticos. Una técnica común de genética inversa es reducir la expresión génica o modificar el empalme utilizando tecnología antisentido de morfolino . Los oligonucleótidos de 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 bloquear otros procesos que ocurren en el ARN. Los MO se pueden inyectar en una célula de un embrión después de la etapa de 32 células, lo que reduce la expresión génica solo en las células descendientes de esa célula. Sin embargo, las células en el embrión temprano (menos de 32 células) son permeables a moléculas grandes, [71] [72] lo que permite la difusión entre células. Las pautas para el uso de morfolinos en pez cebra describen estrategias de control apropiadas. [73] Los morfolinos se microinyectan comúnmente en 500 µL 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. [74]
Un problema conocido con los derribos 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 la actividad de uno de los dos parálogos genéticos de manera confiable debido a la complementación por el otro parálogo. [75] A pesar de las complicaciones del genoma del pez cebra , existen varias plataformas globales disponibles comercialmente para el análisis tanto de la expresión genética por microarreglos como de la regulación del promotor utilizando ChIP-on-chip . [76]
El Wellcome Trust Sanger Institute inició el proyecto de secuenciación del genoma del pez cebra en 2001, y la secuencia completa del genoma de la cepa de referencia de Tuebingen 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 Consorcio de Referencia Genómica . [77]
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. [78] [79] 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 deleción. La secuencia del genoma de referencia del pez cebra de 1,4 GB y más de 26.000 genes codificadores de proteínas fue publicada por Kerstin Howe et al. en 2013. [80]
En octubre de 2001, investigadores de la Universidad de Oklahoma publicaron la secuencia completa del ADN mitocondrial de D. rerio . [81] Su longitud es de 16.596 pares de bases. Esto está a 100 pares de bases de otras especies relacionadas de peces, y es notablemente sólo 18 pares más largo que el pez dorado ( Carassius auratus ) y 21 más largo que la carpa ( Cyprinus carpio ). Su orden genético y contenido son idénticos a la forma común de vertebrados del ADN mitocondrial. Contiene 13 genes codificantes de proteínas y una región de control no codificante que contiene el origen de replicación de la cadena pesada. Entre una agrupación de cinco genes de ARNt , se encuentra una secuencia que se asemeja al origen de replicación de la cadena ligera de los vertebrados. Es difícil sacar conclusiones evolutivas porque es difícil determinar si los cambios de pares de bases tienen importancia adaptativa a través de comparaciones con las secuencias de nucleótidos de otros vertebrados . [81]
Las cajas T y homeoboxes son vitales en Danio de manera similar a otros vertebrados. [82] [83] El equipo de Bruce et al. es conocido en 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. [82] [83] Al interferir a través de un alelo dominante no funcional y un morfolino, encuentran que el activador de transcripción de la caja T Eomesodermina y su objetivo mtx2 , un factor de transcripción , son vitales para la epibolia . [82] [83] (En Bruce et al. 2003 no pudieron apoyar la posibilidad de que Eomesodermina se comporte como Vegt. [82] 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). [82]
En 1999, se identificó la mutación nacre en el ortólogo del pez cebra del factor de transcripción MITF de mamíferos . [84] Las mutaciones en el MITF humano resultan en 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 transportador de soluto que parecía ser necesario para la producción de melanina , y confirmó su función con un derribo 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. [85] Desde entonces, los peces cebra con la mutación nacre se han criado con peces con una mutación roy orbison (roy) para hacer peces de la cepa Casper que no tienen melanóforos ni iridóforos y son transparentes en la edad adulta. Estos peces se caracterizan por ojos pigmentados uniformemente y piel translúcida. [7] [86]
La transgénesis es un método popular para estudiar la función de los genes en el pez cebra. La construcción de un pez cebra transgénico es bastante sencilla mediante un método que utiliza el sistema de transposón Tol2 . El elemento Tol2 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 a partir del cual se ha identificado un miembro autónomo. [87] [88] Los ejemplos incluyen la interacción artificial producida entre LEF1 y Catenin beta-1 /β-catenin/ CTNNB1 . Dorsky et al. 2002 investigaron el papel del desarrollo de Wnt mediante la expresión transgénica de un reportero Lef1/β-catenin. [89]
Existen protocolos bien establecidos para editar genes de pez cebra utilizando CRISPR-Cas9 [90] y esta herramienta se ha utilizado para generar modelos modificados genéticamente.
En 2008, investigadores del Boston Children's Hospital desarrollaron una nueva cepa de pez cebra, llamada Casper, cuyos cuerpos adultos tenían 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 crías transparentes e inmunodeficientes, carentes de células asesinas naturales y 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 . [91] 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 peces cebra para detectar la contaminación por estrógenos en lagos y ríos, que está relacionada con la infertilidad masculina. Los investigadores clonaron genes sensibles a los estrógenos y los inyectaron en los óvulos fértiles de peces cebra. Los peces modificados se volvían verdes si se los 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'ss (sitio de empalme 3'), los pares de bases adenina y citosina se alternan y repiten, y en el 5'ss (sitio de empalme 5'), sus complementos timina y guanina se alternan y repiten también. Encontraron que había menos dependencia de la proteína U2AF2 que en los humanos, en los que la proteína es necesaria 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 tetrápodos . Esto indica que un cambio evolutivo en los tetrápodos puede haber llevado a los humanos a depender de la proteína U2AF2 para el empalme del ARN, mientras que estos genes en el pez cebra experimentan empalme independientemente de la presencia de la proteína. [92]
D. rerio tiene tres transferrinas , todas ellas agrupadas estrechamente con otros vertebrados . [93]
Cuando los parientes cercanos se aparean, la progenie puede exhibir los efectos perjudiciales de la depresión endogámica . La depresión endogámica es causada predominantemente por la expresión homocigótica de alelos recesivos deletéreos. [94] Para el pez cebra, se podría esperar que la depresión endogámica sea más severa en ambientes estresantes, incluyendo aquellos causados por la contaminación antropogénica . La exposición del pez cebra al estrés ambiental inducido por el químico clotrimazol, un fungicida imidazol usado en agricultura y en medicina veterinaria y humana, amplificó los efectos de la endogamia en rasgos reproductivos clave. [95] La viabilidad del embrión se redujo significativamente en los peces expuestos a la endogamia y hubo una tendencia a que los machos endogámicos engendraran menos crías.
Los peces cebra son modelos comunes para la investigación en piscicultura , incluidos patógenos [96] [97] [98] y parásitos [96] [98] que causan pérdida de rendimiento o se propagan a poblaciones silvestres adyacentes.
Esta utilidad es menor de lo que podría ser debido a la distancia taxonómica de Danio de las especies de acuicultura más comunes. [97] 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. [97] Varios otros modelos - pez dorado ( Carassius auratus ), Medaka ( Oryzias latipes ), espinoso ( Gasterosteus aculeatus ), rutilo ( Rutilus rutilus ), pez globo ( Takifugu rubripes ), espada ( Xiphophorus hellerii ) - son menos utilizados normalmente pero estarían más cerca de especies objetivo particulares. [98]
Las únicas excepciones son la carpa (incluida la carpa herbívora, Ctenopharyngodon idella ) [97] y el sábalo ( Chanos chanos ) [98] , que son bastante similares, ya que ambos pertenecen a la familia de los ciprínidos . Sin embargo, también debe tenerse en cuenta que el danio demuestra ser un modelo útil para los mamíferos en muchos casos y que existe una distancia genética mucho mayor entre ellos que entre el danio y cualquier pez de cultivo. [97]
En un mutante defectuoso en el receptor de glucocorticoides con un comportamiento exploratorio reducido , la fluoxetina rescató el comportamiento exploratorio normal. [99] Esto demuestra las relaciones entre los glucocorticoides, la fluoxetina y la exploración en este pez. [99]
El pez cebra se ha utilizado como modelo para estudiar las vías de reparación del ADN. [100] Los embriones de especies de peces fertilizados externamente, como el pez cebra durante su desarrollo, están expuestos directamente a condiciones ambientales como contaminantes y especies reactivas de oxígeno que pueden causar daños a su ADN . [100] Para hacer frente a estos daños al ADN, se expresan una variedad de diferentes vías de reparación del ADN durante el desarrollo. [100] El pez cebra ha demostrado, en los últimos años, ser un modelo útil para evaluar los contaminantes ambientales que pueden causar daños al ADN. [101]
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El pez cebra y sus larvas son organismos modelo adecuados para el descubrimiento y desarrollo de fármacos. Como vertebrado con un 70% de homología genética con los humanos, [80] puede predecir la salud y la enfermedad humanas, mientras que su pequeño tamaño y su rápido desarrollo facilitan la realización de experimentos a mayor escala y más rápidos que con los estudios in vivo más tradicionales , incluido el desarrollo de herramientas de investigación automatizadas de mayor rendimiento. [102] [103] Como se ha demostrado a través de 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 los programas de descubrimiento de fármacos. [104] Los embriones de pez cebra han demostrado ser un modelo de ensayo teratológico rápido, rentable y fiable . [105]
Las pruebas de detección de fármacos en peces 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 una prueba que descubrió que una estatina de uso común ( rosuvastatina ) puede suprimir el crecimiento del cáncer de próstata . [106] Hasta la fecha, se han llevado a cabo 65 pruebas de detección de moléculas pequeñas y al menos una ha dado lugar a ensayos clínicos. [107] Dentro de estas pruebas, quedan muchos desafíos técnicos por resolver, incluidas las diferentes tasas de absorción de fármacos que dan como resultado niveles de exposición interna que no se pueden extrapolar a partir de la concentración de agua, y altos niveles de variación natural entre animales individuales. [107]
Para comprender los efectos de los fármacos, la exposición interna al fármaco es esencial, ya que esto impulsa el efecto farmacológico. Para trasladar los resultados experimentales del pez cebra a los vertebrados superiores (como los humanos) se requieren relaciones concentración-efecto, que pueden derivarse del análisis farmacocinético y farmacodinámico . [4] Sin embargo, debido a su pequeño tamaño, es muy difícil cuantificar la exposición interna al fármaco. Tradicionalmente, se extraían 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, solo se ha desarrollado un único modelo farmacocinético para el paracetamol en larvas de pez cebra. [108]
Utilizando métodos de análisis de datos inteligentes, los procesos patofisiológicos y farmacológicos pueden ser comprendidos y posteriormente traducidos a vertebrados superiores, incluyendo humanos. [4] [109] Un ejemplo es el uso de farmacología de sistemas , que es la integración de biología de sistemas y farmacometría . La biología de sistemas caracteriza (parte de) un organismo por una descripción matemática de todos los procesos relevantes. Estos pueden ser por ejemplo diferentes vías de transducción de señales que ante una señal específica conducen a una determinada respuesta. Al cuantificar estos procesos, su comportamiento en situaciones sanas y enfermas puede ser comprendido y predicho. La farmacometría utiliza datos de experimentos preclínicos y ensayos clínicos para caracterizar los procesos farmacológicos que son la base de la relación entre la dosis del fármaco y su respuesta o resultado clínico. Estos pueden ser por ejemplo la absorción o depuración del fármaco en el cuerpo, o su interacción con el objetivo para lograr un determinado efecto. Al cuantificar estos procesos, su comportamiento después de diferentes dosis o en diferentes pacientes puede ser comprendido y predicho 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 predicción posterior para 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 depuración de paracetamol en el pez cebra y la de los vertebrados superiores, incluidos los humanos. [108]
El pez cebra se ha utilizado para crear varios modelos transgénicos de cáncer, incluidos el melanoma , la leucemia , el cáncer de páncreas y el carcinoma hepatocelular . [110] [111] 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 presentan alteraciones genómicas a gran escala. El modelo de melanoma BRAF se utilizó como plataforma para dos pantallas publicadas en marzo de 2011 en la revista Nature . En un estudio, el modelo se utilizó como herramienta para comprender la importancia funcional de los genes que se sabe que están amplificados y sobreexpresados en el melanoma humano. [112] 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 intentó atacar terapéuticamente el programa genético presente en la célula de la cresta neural de origen del tumor mediante un método de detección química. [113] Esto reveló que una inhibición de la proteína DHODH (por una pequeña molécula llamada leflunomida) impedía 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 método apuntaría a la "identidad" de la célula de melanoma en lugar de una única mutación genética, la leflunomida puede tener utilidad en el tratamiento del melanoma humano. [114]
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 formación de cicatrices. [115] El mecanismo de señalización adrenérgica alfa-1 involucrado en este proceso se identificó en un estudio de 2023. [116] El pez cebra también se utiliza como modelo para la coagulación sanguínea , el desarrollo de los vasos sanguíneos y las enfermedades cardíacas y renales congénitas . [117]
En los programas de investigación sobre la inflamación aguda , un proceso subyacente importante en muchas enfermedades, los investigadores han establecido un modelo de pez cebra de la inflamación y su resolución. Este enfoque permite un estudio detallado de los controles genéticos de la inflamación y la posibilidad de identificar posibles nuevos fármacos. [118]
El pez cebra se ha utilizado ampliamente como organismo modelo para estudiar la inmunidad innata de los vertebrados. El sistema inmunitario innato es capaz de realizar actividad fagocítica entre 28 y 30 horas después de la fecundación [119], mientras que la inmunidad adaptativa no está funcionalmente madura hasta al menos 4 semanas después de la fecundación. [120]
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. [121] [122] [123] [124] Las etapas tempranas de la vida transparentes son muy adecuadas para la obtención de imágenes in vivo y la disección genética de las interacciones huésped-patógeno. [125] [126] [127] [128] Ya se han establecido modelos de pez cebra para una amplia gama de patógenos bacterianos, virales y parasitarios; por ejemplo, el modelo de pez cebra para la tuberculosis proporciona conocimientos fundamentales sobre los mecanismos de patogénesis de las micobacterias. [129] [130] [131] [132] Otras bacterias estudiadas comúnmente utilizando modelos de pez cebra incluyen Clostridioides difficile , Staphylococcus aureus y Pseudomonas aeruginosa . [133] Además, se ha desarrollado tecnología robótica para la detección de fármacos antimicrobianos de alto rendimiento utilizando modelos de infección de pez cebra. [134] [135]
Otra característica notable del pez cebra es que posee cuatro tipos de células cónicas , con células sensibles a la luz ultravioleta que complementan los subtipos de células cónicas rojas, verdes y azules que se encuentran en los humanos. El pez cebra puede observar así un espectro muy amplio de colores. La especie también se estudia para comprender mejor el desarrollo de la retina; en particular, cómo las células cónicas de la retina se organizan en el llamado "mosaico cónico". El pez cebra, además de algunos otros peces teleósteos , es particularmente conocido por tener una precisión extrema en la disposición de las células cónicas. [136]
Este estudio de las características de la retina 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. Estas 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 de edad, y pudieron desarrollarlas en todos los tipos de neuronas retinianas. También pudieron cultivarlas 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 declaró que tenían la intención de desarrollar el mismo enfoque en humanos. [137] [138]
Las distrofias musculares (DM) son un grupo heterogéneo de trastornos genéticos que causan debilidad muscular, contracciones anormales y desgaste muscular, que a menudo conducen a una muerte prematura. El pez cebra se utiliza ampliamente como organismo modelo para estudiar las distrofias musculares. [46] Por ejemplo, el mutante sapje ( sap ) es el ortólogo del pez cebra de la distrofia muscular de Duchenne humana (DMD). [139] 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). [140] Más recientemente, Todd et al. describieron un nuevo modelo de pez cebra diseñado para explorar el impacto de la expresión de repetición CUG durante el desarrollo temprano en la enfermedad DM1. [141] 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). [142] El pez cebra, debido a sus ventajas analizadas anteriormente, y en particular la capacidad de los embriones de pez cebra para absorber sustancias químicas, se ha convertido en un modelo de elección para la detección y prueba de nuevos fármacos contra las distrofias musculares. [143]
Los peces cebra se han utilizado como organismos modelo para el metabolismo óseo, el recambio tisular y la actividad de reabsorción. Estos procesos se conservan en gran medida a lo largo de la evolución. Se han utilizado para estudiar la osteogénesis (formación ósea), evaluar la diferenciación, la actividad de deposición de matriz y la comunicación cruzada de las células esqueléticas, para crear y aislar mutantes que modelen enfermedades óseas humanas y probar nuevos compuestos químicos para la capacidad de revertir los defectos óseos. [144] [145] Las larvas se pueden utilizar para seguir la formación de osteoblastos nuevos ( de novo ) durante el desarrollo óseo. Comienzan a mineralizar elementos óseos tan pronto como 4 días después de la fertilización. Recientemente, los peces cebra adultos se están utilizando para estudiar enfermedades óseas complejas relacionadas con la edad, como la osteoporosis y la osteogénesis imperfecta . [146] Las escamas (elasmoides) del pez cebra funcionan como una capa externa protectora y son pequeñas placas óseas hechas por osteoblastos. Estas estructuras exoesqueléticas están formadas por osteoblastos que depositan matriz ósea y son remodeladas por osteoclastos. Las escamas también actúan como el principal depósito de calcio del pez. Pueden cultivarse ex vivo (mantenidas vivas fuera del organismo) en una placa multipocillo, lo que permite la manipulación con fármacos e incluso la detección de nuevos fármacos que podrían cambiar el metabolismo óseo (entre osteoblastos y osteoclastos). [146] [147] [148]
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, que están relacionadas con el páncreas. Los modelos para la 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 la intolerancia a la glucosa o la diabetes en humanos. La función de la insulina también se está probando en el pez cebra, lo que contribuirá aún más a la medicina humana. La mayoría del trabajo realizado en torno al conocimiento de la homeostasis de la glucosa proviene del trabajo en pez cebra transferido a humanos. [149]
El pez cebra se ha utilizado como un 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 lipídico normal. [149] También como los mamíferos, el pez cebra almacena el exceso de lípidos en los depósitos adiposos viscerales, intramusculares y subcutáneos. Estas razones y otras hacen que el pez cebra sea un buen modelo para estudiar la obesidad en humanos y otras especies. La obesidad genética generalmente se estudia 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 del peso corporal y de la deposición adiposa durante el crecimiento. [149] Aunque los genes del pez cebra pueden no ser exactamente iguales a los genes humanos, estas pruebas podrían proporcionar información importante sobre posibles causas genéticas y tratamientos para la obesidad genética humana. [149] Los modelos de pez cebra con obesidad inducida por la dieta son útiles, ya que la dieta se puede modificar desde una edad muy temprana. Tanto las dietas ricas en grasas como las dietas de sobrealimentación general muestran aumentos rápidos en la deposición adiposa, aumento del IMC, hepatoesteatosis e hipertrigliceridemia. [149] Sin embargo, los especímenes con sobrealimentación y con una grasa normal siguen siendo metabólicamente saludables, mientras que los especímenes con una dieta rica en grasas no lo son. [149] 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. [149]
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 de los mamíferos se pueden recapitular molecular, conductual y electrofisiológicamente, utilizando una fracción de los recursos necesarios para los experimentos con mamíferos. [150]
