Dołącz do czytelników
Brak wyników

Genetyka

30 czerwca 2022

NR 51 (Lipiec 2022)

Organizmy modelowe w nauce

0 587

Zrozumienie różnorakich procesów biologicznych – fizjologicznych, rozwojowych, ekologicznych – wymaga prowadzenia dokładnych, szczegółowych i powtarzalnych badań naukowych. Niezwykle istotne w tego typu badaniach jest korzystanie z odpowiedniego narzędzia i takim właśnie narzędziem jest organizm modelowy. W zależności od problematyki może być to mikroorganizm, organizm roślinny bądź zwierzęcy (co istotne – organizm inny niż człowiek). Zakłada się, że informacje, dane, teorie otrzymane dzięki wykorzystaniu takiego modelu będą mogły znaleźć zastosowanie do innych, często bardziej złożonych organizmów, głównie do człowieka.

National Institutes of Health – NIH, amerykańska instytucja rządowa, wymienia w wykazie z 1999 r. kilkanaście oficjalnych gatunków organizmów modelowych, a wśród nich m.in.: Drosophila melanogaster – muszkę owocową, Danio rerio – danio pręgowane, Caenorhabditis elegans – nicienia, Arabidopsis thaliana – rzodkiewnika pospolitego, Mus musculus – mysz domową czy Saccharomyces cerevisiae – drożdże piekarskie. Dzięki tak niewielkiej liczbie gatunków badaczom udało się (i udaje się nadal) poznać niezwykle ważne procesy, które właściwie są wspólne dla niemal wszystkich żyjących istot. A dlaczego te gatunki, a nie inne? Otóż istnieje szereg wymogów, które organizm musi spełniać, aby zasłużyć sobie na miano dobrego „modelu”. Jakie to cechy? 

POLECAMY

Do najistotniejszych należą:

  • niewielkie rozmiary fizyczne oraz genomowe;
  • niskie koszty hodowli, utrzymania, transportu;
  • krótki cykl życiowy;
  • duża płodność;
  • łatwość indukcji mutacji;
  • podatność na modyfikacje genetyczne;
  • dostępność szczepów standaryzowanych;
  • posiadanie wysoce konserwatywnych sekwencji genomowych, które zostały zachowane w wyniku doboru naturalnego i zazwyczaj sięgają daleko wstecz w czasie ewolucyjnym;
  • przydatność multidyscyplinarna, czyli zdolność dopasowania do różnych dziedzin badawczych, np. fizjologii, neurologii, genomiki, ewolucji;
  • brak problemów natury etycznej.
     


Zanim przyjrzymy się nieco bliżej organizmom wymienionym na liście NIH, warto wspomnieć, że jednym z wcześniejszych organizmów służących celom badawczym była świnka morska. Przyczyniła się ona bardzo do poznania struktur anatomicznych (Marcello Malphighi), fizjologii układu oddechowego (Antoine Lavoisier), odkrycia witaminy C czy szczepionek na błonicę i cholerę (Ludwik Pasteur, Robert Koch, Emil Adolf von Behring). Na świnkach morskich prowadzono badania genetyczne, toksykologiczne, a w latach 60. XX w. wysłano je nawet w kosmos. Współcześnie świnki w laboratoriach zostały wyparte przez myszy i szczury. Inny zasłużony organizm mocno kojarzący się ze wczesnymi badaniami to żaba. Żaby posłużyły do badania między innymi działania mięśni, elektryczności, krążenia i oddychania. Obecnie również są wykorzystywane, głównie w badaniach biomedycznych.
 


Przegląd wybranych organizmów modelowych z listy NIH

Drosophila melanogaster – muszka owocowa
 


Według wielu niekwestionowaną królową wśród organizmów modelowych jest muszka owocowa, Drosophila melanogaster. Ten niewielki owad „zdobył” aż sześć Nagród Nobla!
Jakie są zalety muszki owocowej? Jest niewielka, łatwa i tania w hodowli. Cykl życiowy jest krótki i w zależności od temperatury trwa od 8–9 dni do około 3 tygodni, do tego obserwuje się cztery stadia rozwojowe: jajo, larwa, poczwarka i forma dorosła (przeobrażenie zupełne). Cechuje ją bardzo duża płodność – może złożyć do 100 jaj dziennie. Ma tylko cztery pary chromosomów, z czego trzy pary to autosomy, a pozostałe to chromosomy płci: XX – samica, XY – samiec. Genom Drosophila melanogaster jest niewielki, zawiera około 14 000 genów i został całkowicie zsekwencjonowany. Istotne dla nauki jest występowanie wielu żywych mutantów.
Pierwszym badaczem, którego zainteresowała muszka owocowa, był Thomas Morgan, który skupił się na cechach genetycznych owada, a jego odkrycia stały się podstawą współczesnej genetyki. Badania z wykorzystaniem muszki owocowej obejmują m.in. biologię rozwoju, fizjologię, neurobiologię, farmakologię, genetykę, epigenetykę.
Badaczy bardzo interesuje mózg Drosophila. Mimo że ma on tylko około 100 000 neuronów, a ludzki około 80 miliardów, to wykorzystuje porównywalną maszynerię neuronalną, w tym neuroprzekaźniki, kanały jonowe, receptory i szlaki transdukcji sygnału, co pozwala wykorzystywać mózg owada jako model układu nerwowego do badań węchu, widzenia, słuchu, zachowań seksualnych, transmisji synaptycznej, uczenia się i pamięci. Drosophila melanogaster służy też do badania mechanizmów ludzkich chorób. Okazało się, że aż 75% genów odpowiedzialnych za ludzkie choroby ma homologi u much. Intensywne badania skupiają się m.in. na cukrzycy, raku, chorobie Parkinsona, Alzheimera czy zespołu łamliwego chromosomu X.
Poniżej przedstawiono wybitne badania wykorzystujące Drosophila melanogaster, które zostały uhonorowane Nagrodą Nobla:

  • Rola chromosomów w dziedziczności – T. Morgan, 1933 r.
  • Wytwarzanie mutacji za pomocą promieniowania rentgenowskiego – H. Muller, 1946 r.
  • Genetyczna kontrola wczesnego rozwoju embrionalnego – E. Lewis, Ch. Nüsslein-Volhard, E. Wieschaus, 1995 r.
  • Receptory zapachowe i organizacja układu węchowego – R. Axel, 2004 r.
  • Aktywacja odporności wrodzonej – J. Hoffmann, 2011 r.
  • Molekularne mechanizmy kontrolujące rytm dobowy – J. Hall, M. Rosbash, M. Young, 2017 r.

Saccharomyces cerevisiae – drożdże piekarnicze
 


Mimo że drożdże piekarnicze (piwne) są bardzo małym, jednokomórkowym organizmem eukariotycznym, to stanowią potężny organizm modelowy. Mają mikroskopijne rozmiary, niewielkie wymagania żywieniowe, ich hodowla jest łatwa i tania. Można je bez uszczerbku przechowywać latami albo zamrażając w glicerolu w -800C, albo w temperaturze pokojowej po przeprowadzeniu liofilizacji. Drożdże są pierwszym organizmem eukariotycznym, którego genom został w pełni zsekwencjonowany (1996 r.). Haploidalna komórka drożdżowa zawiera ~12 000 kb DNA w 16 chromosomach. Bardzo ważną cechą Saccharomyces cerevisiae jako organizmu modelowego jest łatwość przeprowadzania manipulacji genetycznych, wywoływania mutacji. Wykorzystywane są w genetyce klasycznej i molekularnej, genomice, biologii komórki, zaawansowanej biotechnologii. S. cerevisiae używa się w produkcji leków, insuliny, szczepionek na wirusowe zapalenie wątroby typu B. Służą też badaniu wielolekowej oporności. To powszechnie stosowany model do badania cyklu komórkowego, regulacji ekspresji genów, transdukcji sygnałów, apoptozy, mechanizmów starzenia czy zaburzeń neurodegeneracyjnych, jak choroba Parkinsona. Według badań, do 30% genów związanych z chorobami człowieka może mieć ortologi w proteomie drożdży.
 

Caenorhabditis elegans – nicień
 


Nicienie to małe (dorosłe mają do 1 mm długości), wolnożyjące, niepasożytnicze robaki obłe. Do zalet nicieni, dzięki którym stały się organizmami modelowymi, należy m.in. to, że łatwo je hodować, rosną w laboratorium na płytkach agarowych, żywią się standardowym szczepem niepatogennej E. coli, szybko się rozmnażają, dając około 300 osobników potomnych w cyklu reprodukcyjnym trwającym jedynie 3,5 dnia w temperaturze pokojowej. Żyją około 2 i pół tygodnia. Co interesujące, są przezroczyste, a to przydaje się np. przy stosowaniu takich modyfikacji genetycznych jak ekspresja białka fluorescencyjnego. W badaniach genetycznych ważne jest to, że C. elegans mają dwie płcie – samiec, który posiada 6 par chromosomów, w tym pięć autosomów i jeden chromosom płci X, oraz hermafrodyta, mający oprócz autosomów 2 chromosomy X. W przypadku hermafrodytów dochodzi do samozapłodnienia, w wyniku czego powstają silnie wsobne, homozygotyczne szczepy. Samce powstają poprzez utratę jednego chromosomu X i odbywa się to samoistnie w tempie 1 robaka na 600. Dorosły hermafrodyta ma dokładnie 959 komórek, a samiec ma ich 1048. Komórki zawsze znajdują się w tym samym miejscu i pełnią tę samą funkcję.
W laboratoriach C. elegans zaczął pojawiać się w latach 70. ubiegłego wieku, a w 1998 roku całkowicie zsekwencjonowano genom robaka, jako pierwszego organizmu wielokomórkowego. 60% ludzkich genów ma ortolog w C. elegans, co czyni go idealnym do badania podstawowych procesów biologii molekularnej. Model jest wykorzystywany w badaniach chorób Alzheimera, Parkinsona, Huntingtona, dystrofii mięśniowej czy otyłości. Za badania prowadzone z wykorzystaniem Caenorhabditis elegans przyznano dwie Nagrody Nobla: w 2002 r. za odkrycia dotyczące genetycznej regulacji narządów i programowanej śmierci komórki (S. Brenner, H. Horvitz, J. Sulston) i w 2006 r. za odkrycie zjawiska interferencji RNA (A. Fire, C. Mello).

Danio rerio – danio pręgowany
 


 „Kariera naukowa” Danio pręgowanego, tropikalnej ryby pochodzącej z południowo-wschodniej Azji, rozpoczęła się w latach 60. XX wieku. Hodowla laboratoryjna tych niewielkich ryb jest łatwa i tania, a do tego produkują one dużą liczbę potomstwa (do 200 jaj tygodniowo), któ...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy