Por Alyssa Cecchetelli e Lukas Morgan

Organismos Modelo são ferramentas vitais usadas por pesquisadores em todo o mundo. Estes organismos compartilham muitos genes com humanos, são facilmente mantidos no laboratório e têm tempos de geração curtos que facilitam o estudo dos efeitos das manipulações genéticas. Neste post do blog, vamos cobrir cinco organismos modelos populares, mas há muitos mais por aí.

O rato doméstico (Musculus musculus)

Comecemos com o organismo modelo mais preferido de muitos pesquisadores: o rato (Musculus musculus). Os ratos têm muitas vantagens como organismo modelo de mamífero para os cientistas, pois têm um tempo relativamente curto de geração para os mamíferos – o tempo entre o nascimento e o parto – de cerca de 10 semanas. Os ratos adultos reproduzem-se com a mesma frequência que a cada três semanas para que os cientistas possam observar simultaneamente várias gerações de ratos de cada vez.

Porque os ratos são mais geneticamente e fisiologicamente semelhantes aos humanos do que muitos outros organismos modelo, são frequentemente utilizados para estudar doenças humanas. As doenças em ratos mostram muitos fenótipos semelhantes a doenças humanas e têm ajudado com sucesso os pesquisadores a desenvolver uma variedade de terapias. Por exemplo, muitos cientistas usam ratos para estudar doenças como o cancro, uma vez que os ratos recapitulam melhor as complexas interacções entre as células cancerígenas, os medicamentos terapêuticos e o resto do corpo do que os estudos em outros organismos modelo ou a cultura de células. Por exemplo, o laboratório de Scott Lowe utilizou camundongos para estudar como diferentes mutações na leucemia impactam diferentes regimes de tratamento (Zuber et al., 2009). Ao injectar ratos com vectores retrovirais que abrigavam diferentes mutações encontradas na leucemia, o laboratório de Lowe conseguiu identificar um conjunto de mutações que tornaram as células cancerígenas mais resistentes à quimioterapia. Você pode encontrar estes plasmídeos em Addgene.

Uma outra vantagem dos ratos como organismos modelo é que eles são geneticamente rastreáveis. Os ratos podem ser facilmente manipulados com ferramentas como CRISPR para fazer linhas transgénicas.

A mosca da fruta (Drosophila melanogaster)

Outro organismo modelo popular é o Drosophila melanogaster, ou como é mais comumente conhecido: a mosca da fruta. A mosca da fruta tem sido usada em pesquisas científicas por mais de um século, mas foi trazida para a vanguarda por Thomas Hunt Morgan, que é conhecido como o “pai” da pesquisa Drosophila. Morgan descobriu que foram encontrados genes dentro dos cromossomos usando a mosca da fruta muito antes mesmo de sabermos que o DNA era material genético (Jennings, 2011).

A mosca da fruta é um grande organismo modelo porque é fácil e barato de cultivar e manter no laboratório, tem um ciclo de vida curto de 8 a 14 dias, e produz um grande número de descendentes que são colocados externamente. As moscas da fruta também são relativamente fáceis de manipular geneticamente. Os cientistas podem fazer uma nova linha de moscas em apenas 6 semanas, em comparação com meses, para fazer uma linha de ratos transgénicos. Ao longo dos anos, a mosca tornou-se um organismo modelo ideal para estudar uma série de tópicos, incluindo desenvolvimento, genética e sistema nervoso. A mosca também surgiu como um importante modelo de doença humana com potencial para a descoberta de medicamentos terapêuticos, pois estima-se que 75% dos genes causadores de doenças em humanos têm um homólogo funcional na mosca (Pandey e Nichols, 2011).

Uma enorme vantagem de usar a mosca da fruta é a variedade de ferramentas genéticas, como o sistema GAL4/UAS e LexA, que permite aos cientistas controlar facilmente o nível e a expressão espaço-temporal de um gene de interesse. Este tipo de controle sobre a expressão gênica é possível em outros sistemas modelo, mas pode ser bastante difícil e demorado. O GAL4/UAS foi descrito pela primeira vez em 1993 pelo laboratório de Norbert Perrimon e tem sido continuamente melhorado desde então. Se você estiver interessado nestes sistemas verifique o laboratório de Gerald Rubin que criou um conjunto de vetores modulares que podem ser usados para controlar de forma ideal a expressão gênica em células específicas da mosca (Pfeiffer et al., 2010).

Yeast (Saccharomyces cerevisiae)

Yeast, um dos mais simples organismos eucarióticos, é um organismo modelo comumente usado em pesquisa científica. Sim, o mesmo tipo que nós usamos em pães e outros produtos de padaria! A levedura é barata, simples e fácil de trabalhar, pois pode sobreviver em diversas condições ambientais, e dobrar a cada 2 horas. As leveduras são também o primeiro genoma eucariótico a ser totalmente sequenciado e é muito susceptível à manipulação genética.

As células de levedura são um grande organismo modelo, não só pelas razões acima, mas porque na realidade partilham muitas propriedades e processos biológicos com as nossas próprias células. Como as células humanas, o DNA da levedura é empacotado em cromossomos e cerca de 23% dos genes da levedura têm uma contraparte em humanos (Liu et al., 2017) . Assim, a levedura pode ser usada para estudar a base molecular de doenças humanas que são causadas por um gene específico. Por exemplo, vários genes mutantes em cancros humanos têm um homólogo envolvido na divisão de células de leveduras (Pray, 2008). Descobertas científicas em leveduras podem então ser mais estudadas em outros organismos modelo que recapitulam melhor condições in vivo semelhantes às humanas.

Por exemplo, devido à sua simplicidade, as leveduras tornaram-se um modelo experimental importante no estudo de doenças neurológicas, tais como a doença de Parkinson (DP). A DP é caracterizada principalmente por um misfolding proteico que leva a uma acumulação de agregados proteicos denominados “corpos lascivos” no cérebro. Modelos de levedura da DP, como aqueles que superexpressam a proteína tóxica α-synuclein (a proteína mais comum encontrada em corpos lascivos), têm sido inestimáveis na compreensão dos mecanismos moleculares básicos subjacentes à doença (Menezes et al., 2015). Como as leveduras são organismos unicelulares, elas também podem ser usadas para triagem fácil de múltiplos compostos terapêuticos em uma experiência.

Zebrafish (Danio rerio)

Desde os anos 60, o zebrafish tornou-se gradualmente um importante organismo modelo. Eles compartilham cerca de 70% dos seus genes com humanos e 85% dos genes humanos associados a uma doença têm um homólogo no zebrafish (Howe et al., 2013). Os zebrafish são pequenos, de fácil manutenção, pois são alojados em grandes grupos, de fácil criação, e produzem 50-300 ovos de cada vez. Os embriões de Zebrafish também são postos e fertilizados externamente, permitindo que os cientistas os manipulem facilmente. Os cientistas podem simplesmente injetar embriões de uma célula com DNA ou RNA para editar seus genomas ou para criar animais transgênicos.

Zebrafish são um modelo ideal de organismos para estudos de desenvolvimento embrionário, já que seus embriões são completamente transparentes. Assim, os cientistas podem facilmente observar os estágios iniciais de desenvolvimento que podem ser difíceis em outras espécies de vertebrados. A transparência também permite aos cientistas observar facilmente proteínas e tecidos fluorescentes para melhor avaliar os processos de desenvolvimento.

Por exemplo, o laboratório Stainier estudou a proliferação e diferenciação das células β no pâncreas de zebrafish em desenvolvimento. Eles primeiro etiquetaram estas células usando plasmídeos. Em seguida, usando o HOTcre, um método que usa indução de calor para controlar a expressão temporal de diferentes transgenes, o grupo de Stainer determinou que existem na verdade duas populações distintas de células β que se originam em diferentes regiões do pâncreas e produzem diferentes níveis de insulina (Hesselson et al., 2009).

O verme (Caenorhabditis elegans)

O verme, Caenorhabditis elegans, tem sido usado extensivamente como um organismo modelo desde os anos 70, quando Sydney Brenner o trouxe para o laboratório para estudar o desenvolvimento neuronal (Brenner, 1973). C. elegans são vermes pequenos e transparentes que têm um ciclo de vida rápido e grandes tamanhos de ninhada. A maioria dos C. elegans também são hermafroditas auto-férteis, facilitando a realização de grandes experiências ao longo de várias gerações. Similar a outros organismos modelo, o genoma C. elegans também é completamente sequenciado e mais de 60% dos genes humanos têm um ortolog em C. elegans tornando-o ideal para estudar processos básicos de biologia molecular.

C. elegans também são bastante receptivos à manipulação genética. Animais transgênicos podem ser feitos simplesmente por microinjeção de DNA no verme, como animais que expressam marcadores fluorescentes (Mello et al., 1991). Os genes também podem ser facilmente derrubados através da interferência do RNAi (RNAi), alimentando as bactérias dos vermes que expressam plasmídeos específicos (L4440) que contêm o seu gene de interesse (Fire et al., 1998). A descoberta do RNAi no verme na verdade premiou os depositantes Andrew Fire e Craig Mello com um Prêmio Nobel em 2006.

Uma das maiores vantagens do C. elegans é que eles são transparentes durante toda a sua vida. Assim, qualquer modificação genética, como a expressão de proteínas fluorescentes ou a perturbação de um gene, pode ser facilmente visualizada num organismo vivo desde o desenvolvimento embrionário até à idade adulta. Esta capacidade de manipular e visualizar geneticamente células e tecidos permite aos cientistas realizar estudos in vivo que podem ser bastante difíceis em outros organismos modelo. Os vermes têm sido usados para investigar uma série de sistemas e processos biológicos, incluindo o sistema nervoso, desenvolvimento, sinalização celular, envelhecimento e mechanotransdução, para citar alguns. Por exemplo, o laboratório de Andrew Leifer utilizou o verme para estudar a sinalização de cálcio em todo o cérebro adulto, usando um plasmídeo que expressa um sensor de cálcio geneticamente codificado, GCaMP6 (Nguyen et al., 2015). Se você está interessado em C. elegans plasmids e recursos consulte a página Addgene’s Worm Expression page.

Looking for more model organisms? Confira a segunda parte da popular série de organismos modelo, e leia sobre novos sistemas sendo desenvolvidos para organismos modelo emergentes!

Brenner, Sydney. “A genética da Caenorhabditis elegans.” Genetics 77.1 (1974): 71-94. PubMed Central PMCID: PMC1213120.

Hesselson, Daniel, et al. “Distinct populations of quiescent and proliferative pancreatic β-cells identified by HOTcreted mediated labeling”. Anais da Academia Nacional de Ciências 106.35 (2009): 14896-14901. PubMed PMID: 19706417. PubMed Central PMCID: PMC2736433.

Howe, Kerstin, et al. “The zebrafish reference genome sequence and its relationship to the human genome” (A sequência do genoma de referência zebrafish e a sua relação com o genoma humano). Nature496.7446 (2013): 498. PubMed PMID: 23594743. PubMed Central PMCID: PMC3703927.

Jennings, Barbara H. “Drosophila-um modelo versátil em biologia & medicina”. Materiais hoje 14.5 (2011): 190-195.

Mello, Craig C., et al. “Efficient gene transfer in C. elegans: extrachromosomal maintenance and integration of transforming sequences”. A revista EMBO 10.12 (1991): 3959-3970. PubMed PMID: 1935914. PubMed Central PMCID: PMC453137.

Nguyen, Jeffrey P., et al. “Imagem de cálcio em todo o cérebro com resolução celular em Caenorhabditis elegans de comportamento livre”. Anais da Academia Nacional de Ciências 113.8 (2016): E1074-E1081. PubMed PMID: 26712014.

Pandey, Udai Bhan, e Charles D. Nichols. “Modelos de doenças humanas em Drosophila melanogaster e o papel da mosca na descoberta de medicamentos terapêuticos”. Revisões farmacológicas 63.2 (2011): 411-436. PubMed PMID: 21415126. PubMed Central PMCID: PMC3082451.