Pesce zebra, Medaka e Killifish turchese per comprendere i disturbi neurodegenerativi/del neurosviluppo umani, parte 4

Per il pesce zebra, ZFIN (Zebrafish Information Network, https://zfin.org/; accesso il 30 novembre 2021) dispone di un database di geni di pesce zebra, linee transgeniche create e linee mutanti.

Con il continuo sviluppo della scienza e della tecnologia, la tecnologia geneticamente modificata è diventata uno degli strumenti importanti nella moderna produzione agricola. Modificando il materiale genetico di piante o animali, è possibile creare varietà superiori acquisite per l'uomo, risolvendo così problemi come la scarsità di cibo e la malnutrizione. Tuttavia, nella società esiste ancora controversia su questa tecnologia. Alcune persone dubitano che le varietà geneticamente modificate abbiano effetti negativi sulla salute umana, ma non esistono prove scientifiche a sostegno di questa opinione.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno scoperto un legame tra ceppi geneticamente modificati e memoria. In alcuni casi, la modificazione genetica può migliorare la memoria di un animale. Ad esempio, gli scienziati hanno utilizzato la tecnologia transgenica per modificare geni specifici nelle cellule di alcuni organismi in modo che questi organismi abbiano prestazioni migliori nell'esecuzione di compiti di memoria.

Inoltre, i ricercatori stanno anche cercando di modificare geneticamente il cervello per migliorare l’intelligenza umana e le capacità di apprendimento. Si ritiene che alcuni geni influenzino l'intelligenza e la capacità di apprendimento di una persona, quindi modificando questi geni è possibile creare un sistema cerebrale ottimizzato che promuove il miglioramento della memoria e delle capacità di apprendimento.

Naturalmente, sebbene la tecnologia geneticamente modificata abbia il potenziale per migliorare la memoria e l’intelligenza degli organismi, la ricerca è ancora nelle fasi preliminari e sono necessari ulteriori dati sperimentali e verifiche scientifiche. Allo stesso tempo, dobbiamo anche renderci conto che anche l’intelligenza e la memoria umane sono influenzate da molti fattori, come l’ambiente, l’istruzione e la genetica. Pertanto, la tecnologia geneticamente modificata non è l’unico modo per risolvere i problemi educativi e cognitivi.

In breve, lo sviluppo e l’applicazione della tecnologia geneticamente modificata sono di grande importanza per migliorare la qualità degli organismi e aumentare l’efficienza produttiva. Non dovremmo rifiutare ciecamente questa tecnologia, ma dovremmo considerare i vantaggi e gli svantaggi di questa tecnologia in modo razionale e oggettivo sulla base di prove scientifiche e usarla per promuovere lo sviluppo dell’agricoltura, della medicina e della protezione ambientale. Si può vedere che dobbiamo migliorare la memoria, e la Cistanche deserticola può migliorare significativamente la memoria, perché la Cistanche deserticola ha effetti antiossidanti, antinfiammatori e antinvecchiamento, che possono aiutare a ridurre l’ossidazione e le reazioni infiammatorie nel cervello, proteggendo così il cervello. salute del sistema nervoso. Inoltre, Cistanche deserticola può anche promuovere la crescita e la riparazione delle cellule nervose, migliorando così la connettività e la funzione delle reti neurali. Questi effetti possono aiutare a migliorare la memoria, l’apprendimento e la velocità di pensiero e possono anche prevenire lo sviluppo di disfunzioni cognitive e malattie neurodegenerative.

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Molte linee, compresi i prodotti di mutagenesi ENU o le linee reporter transgeniche, sono disponibili per l'acquisto e sono gestite da ZIRC (Zebrafish International Resource Center) o EZRC (European Zebrafish Resource Center).

Per medaka, visitare il sito web medaka NBRP (https://shigen.nig.ac.jp/medaka/top/top.jsp; accesso il 30 novembre 2021) per cercare varie linee mutanti e transgeniche.

Inoltre, NFIN (The Nothobranchius furzeriInformation Network, https://www.nothobranchius.info/; accesso il 30 novembre 2021) fornisce informazioni sulle procedure di laboratorio e un database genetico dei killifish turchesi.

4. Facilità di gestione del laboratorio e sperimentazione con pesci zebra, medaka e killifish turchesi

La neurodegenerazione è un fenomeno caratterizzato dalla progressiva perdita di neuroni e il morbo di Alzheimer, il morbo di Parkinson e la sclerosi laterale amiotrofica sono le principali malattie neurodegenerative dell'uomo.

Sono malattie progressive con un decorso clinico cronico relativamente lento e il cervello mostra una deposizione anormale di proteine. Ciascuna malattia neurodegenerativa ha una perdita neuronale relativamente selettiva; per esempio, i neuroni dopaminergici e il sistema nervoso autonomo sono vulnerabili nella malattia di Parkinson, e il sistema dei motoneuroni viene selettivamente perso nella sclerosi laterale amiotrofica [67].

Recentemente sono state condotte molte ricerche sulle malattie neurodegenerative sfruttando le caratteristiche vantaggiose dei piccoli pesci. Per generare e analizzare modelli di malattia, è possibile utilizzare il trattamento farmacologico con sostanze chimiche neurotossiche, la microiniezione diretta di proteine ​​anomale, l'eliminazione di geni correlati alla malattia e l'eliminazione di geni mutati.

Per gli studi sulla malattia di Alzheimer, sono stati riportati pesci zebra transgenici tau [68,69] e pesci zebra con microiniezione diretta di A [70,71].

Per gli studi sulla sclerosi laterale amiotrofica, sono stati utilizzati modelli di pesce zebra correlati a TDP-43-, SOD1-o C9orf72- per analizzare la patogenesi e individuare nuovi farmaci [30,72–76]. Qui discutiamo della malattia di Parkinson; per ulteriori informazioni su altre malattie neurodegenerative, vedere altre revisioni [77,78].

4.1. Modelli Zebrafish e Medaka della malattia di Parkinson
La malattia di Parkinson è comune negli anziani ed è caratterizzata da progressiva compromissione motoria, perdita di neuroni dopaminergici nella substantia nigra e corpi inclusi positivi all'alfa-sinucleina chiamati corpi di Lewy.

Noi ed altri abbiamo utilizzato una varietà di piccoli pesci per studiare la patogenesi del morbo di Parkinson. Tossine come 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetraidropiridina (MPTP), 6-idrossidopamina (6-OHDA) e rotenone è noto per essere tossico per i neuroni dopaminergici in vari modelli animali.

L'MPTP è una neurotossina che induce sintomi simili alla malattia di Parkinson in vari animali, compreso l'uomo. Viene metabolizzato in 1-metil-4-fenilpiridinio (MPP+) nelle cellule gliali e viene successivamente incorporato dai neuroni dopaminergici tramite trasportatori della dopamina e inibisce l'attività della catena respiratoria mitocondriale. A causa di questo percorso metabolico, i neuroni dopaminergici vengono danneggiati selettivamente [79,80].

L'MPTP induce anche sintomi simili alla malattia di Parkinson nel medaka. Mantenere le larve di Medaka in acqua contenente MPTP induce rapidamente una riduzione del movimento natatorio spontaneo e una perdita di neuroni dopaminergici nel diencefalo [81].

L'esposizione all'MPTP è stata effettuata anche utilizzando larve e adulti di pesce zebra. Questi studi hanno dimostrato l’effetto dell’MPTP sulla locomozione e sui neuroni dopaminergici [82-87].

6-OHDA può essere assorbito dal trasportatore della dopamina, provocando stress ossidativo e danni selettivi ai neuroni dopaminergici. 6-OHDA, quando somministrato direttamente nel liquido cerebrospinale, induce anche una perdita di neuroni della dopamina e una diminuzione dei movimenti natatori spontanei inmedaka [88].

L'iniezione di 6-OHDA nel diencefalo ventrale del pesce zebra adulto mantenendo le larve di pesce zebra in acqua contenente 6-OHDA può causare una riduzione dei neuroni indopaminergici e una compromissione dei movimenti natatori [89-92].

Mantenere le larve di pesce zebra in acqua contenente rotenone provoca anche una riduzione della dopamina e difficoltà nei movimenti natatori [93,94]. Altre sostanze chimiche, inclusi gli inibitori del proteasoma [88], il cloruro di ammonio o la tunicamicina [95], possono indurre fenotipi simili alla malattia di Parkinson nei piccoli pesci. Questi modelli indotti dalle tossine possono essere utili per la ricerca sulla malattia di Parkinson e lo screening farmacologico.

Successivamente, introdurremo modelli genetici della malattia di Parkinson utilizzando il pesce zebra e il medaka. È sorprendentemente difficile simulare la malattia di Parkinson umana mediante manipolazione genetica nei topi, che è uno degli animali modello più rappresentativi.

Ad esempio, anche nei topi triplo knockout con Parkin, PINK1 e DJ-1, i prodotti genetici responsabili della malattia di Parkinson familiare autosomica recessiva, non si verifica alcuna perdita di neuroni dopaminergici [96].

Similmente ai topi, il medaka knockout singolo di Parkin o Pink1 non mostra perdita di cellule dopaminergiche [97,98]. Abbiamo analizzato il medaka double knockout di Parkin e Pink1 e abbiamo scoperto che si è verificata una perdita di neuroni dopaminergici, che non è stata osservata nei pesci knockout singoli [98]. Nel caso del pesce zebra, una singola deplezione di Pink1 è sufficiente per indurre la perdita di neuroni dopaminergici [99-101].

Sono stati creati anche modelli knockout di pesce zebra e medaka DJ-1, che necessitano di ulteriori valutazioni patologiche ma sono promettenti per la produzione di nuovi modelli ittici della malattia di Parkinson [102–105].

ATP13A2 è un altro prodotto genetico responsabile del parkinsonismo autosomico recessivo a esordio precoce, caratterizzato da reattività alla levodopa, gazebopalsia sopranucleare, segni piramidali e demenza [106].

Abbiamo creato medaka mutante Atp13a2, che mostra una mutazione simile a quella osservata nei pazienti umani, e questo pesce mostra perdita di neuroni dopaminergici con una diminuzione dell'attività della catepsina D e formazione di corpi inclusi simili a impronte digitali [107].

Anche il pesce zebra knockout per Atp13a2 mostra fenotipi simili [108]. GBA, che è anche il gene causativo della malattia di Gaucher, è uno dei geni ad alto rischio per la malattia di Parkinson idiopatica, e il medaka knockout per Gba e il pesce zebra mostrano non solo neurodegenerazione dopaminergica ma anche alfa-sinucleina. accumulo [109–111].

Le mutazioni LRRK2 sono una causa relativamente comune di malattia di Parkinson familiare autosomica dominante e sono anche correlate alla malattia di Parkinson idiopatica [112,113]. È difficile comprendere questa malattia autosomica dominante perché potrebbe non essere chiaro se la perdita della normale funzione del gene sia una delle cause principali del fenotipo o se un aumento della funzione tossica possa spiegare la malattia.

Sono stati realizzati diversi modelli di pesce zebra di Lrrk2, ma attendiamo ulteriori valutazioni e risultati coerenti [114–117].

In questo modo, vari modelli della malattia di Parkinson possono essere generati trattando il pesce zebra o il medaka con sostanze chimiche o effettuando la modificazione genetica del genoma del pesce zebra o del medaka.

Questi modelli sono molto utili per analizzare la funzione delle molecole correlate alla malattia di Parkinson in vivo e per comprendere la fisiopatologia della malattia di Parkinson umana.

Inoltre, è già stato ampiamente utilizzato nel campo della scoperta di farmaci. Lo screening ad alto rendimento utilizzando le caratteristiche del pesce zebra ha individuato molti composti potenzialmente in grado di migliorare la patologia del morbo di Parkinson.

Si prega di fare riferimento alla recente revisione sulla scoperta di farmaci per le principali malattie neurodegenerative, incluso il morbo di Parkinson [77]. Naturalmente, una limitazione nell’usare piccoli pesci come animali modello è che può esserci una discrepanza tra pesci e esseri umani.

Come nel caso della maggior parte delle malattie umane, l’insorgenza della malattia è complicata da diversi fattori, come l’invecchiamento, i fattori ambientali e gli effetti genetici multifattoriali.

Pertanto, dovremmo esaminare attentamente vari modelli tra cui linee cellulari, piccoli pesci o mammiferi ed è anche importante indagare su campioni umani. Andando avanti e indietro tra modelli come pesci e campioni umani, possiamo comprendere la patologia umana in modo più affidabile.

4.2. Fenotipi della malattia di Parkinson idiopatica osservati nei killifish turchesi

Successivamente, ci siamo concentrati sui killifish turchesi per comprendere la malattia di Parkinson idiopatica, che non è ereditaria e rappresenta il 90-95% di tutti i casi di malattia di Parkinson. Il pesce killi turchese è una piccola specie di pesce che vive in stagni, paludi e pozzanghere in Mozambico e in altri paesi [7].

Il suo habitat ha una lunga stagione secca e una breve stagione delle piogge, e durante la stagione secca, l'acqua in cui vive il killifish turchese si secca e il pesce adulto non può sopravvivere.

Tuttavia, è riuscito a sopravvivere come specie adottando una storia di vita in cui depone uova resistenti alla siccità nel terreno, che si schiudono durante la prossima o futura stagione delle piogge.

In un ciclo di vita di questo tipo, la pressione selettiva positiva per l’anti-invecchiamento non funziona [118]. Molto probabilmente, i killifish turchesi hanno una vita breve e mostrano un fenotipo di invecchiamento in un periodo molto breve.

Nello specifico, la durata della vita dei killifish turchese è di circa quattro-sei mesi e, intorno ai tre mesi, presentano vari segni di invecchiamento, tra cui atrofia degli organi, curvatura della colonna vertebrale e livelli aumentati di beta-galattosidasi associata alla senescenza [119-121].

Sebbene la malattia di Parkinson sia fortemente associata all'invecchiamento negli esseri umani, la maggior parte degli animali da esperimento potrebbe non presentare un fenotipo della malattia sufficiente durante l'invecchiamento. Abbiamo scoperto che il killifish turchese mostra la degenerazione dei neuroni dopaminergici e noradrenergici e la progressione della patologia dell'alfa-sinucleina con l'invecchiamento [122]. Questi fenotipi patologici sono simili a quelli osservati nella malattia di Parkinson umana.

La deplezione genetica dell'alfa-sinucleina da parte del sistema CRISPR-Cas9 migliora la neurodegenerazione, suggerendo che l'alfa-sinucleina non è un testimone nella patogenesi della malattia di Parkinson ma è una proteina causativa della neurodegenerazione.

Il killifish turchese ha il potenziale per rivelare i meccanismi della malattia di Parkinson, in particolare la maggior parte dei casi di malattia di Parkinson idiopatica. Questo pesce unico sarà utile anche per altri disturbi legati all'età nel cervello e in altri organi.

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