Alyssa Cecchetelli a Lukas Morgan

Modelové organismy jsou důležitými nástroji, které používají vědci po celém světě. Tyto organismy sdílejí mnoho genů s lidmi, snadno se udržují v laboratoři a mají krátkou generační dobu, která usnadňuje studium účinků genetických manipulací. V tomto příspěvku se budeme zabývat pěti oblíbenými modelovými organismy, ale existuje jich mnohem více.

Myš domácí (Mus musculus)

Začněme nejpreferovanějším savčím modelovým organismem mnoha výzkumníků: myší (Mus musculus). Myši mají jako savčí modelový organismus pro vědce mnoho výhod, protože mají na savce relativně krátkou generační dobu – dobu mezi narozením a porodem – přibližně 10 týdnů. Dospělé myši se rozmnožují až každé tři týdny, takže vědci mohou současně pozorovat několik generací myší najednou.

Protože jsou myši geneticky a fyziologicky podobnější člověku než mnoho jiných modelových organismů, často se používají ke studiu lidských chorob. Onemocnění u myší vykazují mnoho podobných fenotypů jako lidská onemocnění a úspěšně pomáhají vědcům vyvíjet různé terapie. Mnoho vědců například používá myši ke studiu nemocí, jako je rakovina, protože myši lépe rekapitulují složité interakce mezi rakovinnými buňkami, terapeutickými léky a zbytkem těla než studie na jiných modelových organismech nebo buněčných kulturách. Například laboratoř Scotta Lowea využila myši ke studiu vlivu různých mutací u leukémie na různé léčebné režimy (Zuber et al., 2009). Injekcí myší s retrovirovými vektory, které nesly různé mutace vyskytující se u leukémie, byla Loweova laboratoř schopna identifikovat soubor mutací, které činí rakovinné buňky odolnějšími vůči chemoterapii. Tyto plazmidy najdete na stránkách Addgene.

Další výhodou myší jako modelových organismů je, že jsou geneticky ovlivnitelné. Myši lze snadno manipulovat pomocí nástrojů, jako je CRISPR, a vytvářet tak transgenní linie.

Ovocná muška (Drosophila melanogaster)

Dalším oblíbeným modelovým organismem je Drosophila melanogaster, nebo jak je známější: ovocná muška. Ovocná muška se ve vědeckém výzkumu používá již více než sto let, ale do popředí zájmu ji přivedl Thomas Hunt Morgan, který je znám jako „otec“ výzkumu drozofily. Morgan zjistil, že geny se nacházejí v chromozomech pomocí ovocné mušky mnohem dříve, než jsme vůbec věděli, že DNA je genetický materiál (Jennings, 2011).

Ovocná muška je skvělým modelovým organismem, protože se snadno a levně pěstuje a udržuje v laboratoři, má krátký životní cyklus 8 až 14 dní a produkuje velké množství potomstva, které je kladeno navenek. Ovocné mušky lze také poměrně snadno geneticky manipulovat. Vědci mohou vytvořit novou linii mušek za pouhých 6 týdnů ve srovnání s měsíci potřebnými k vytvoření transgenní linie myší. V průběhu let se moucha stala ideálním modelovým organismem pro studium řady témat včetně vývoje, genetiky a nervového systému. Moucha se také stala důležitým modelem lidských onemocnění s potenciálem pro objevování terapeutických léků, protože se odhaduje, že 75 % genů způsobujících onemocnění u člověka má funkční homolog u mouchy (Pandey a Nichols, 2011).

Obrovskou výhodou použití ovocné mušky je řada genetických nástrojů, jako je systém GAL4/UAS a LexA, které vědcům umožňují snadno kontrolovat úroveň a časoprostorovou expresi genu, který je předmětem zájmu. Tento typ kontroly genové exprese je možný i v jiných modelových systémech, ale může být poměrně obtížný a časově náročný. Systém GAL4/UAS byl poprvé popsán v roce 1993 v laboratoři Norberta Perrimona a od té doby byl neustále zdokonalován. Pokud vás tyto systémy zajímají, podívejte se do laboratoře Geralda Rubina, který vytvořil sadu modulárních vektorů, které lze použít k optimálnímu řízení genové exprese v konkrétních buňkách mouchy (Pfeiffer et al., 2010).

Moucha (Saccharomyces cerevisiae)

Moucha, jeden z nejjednodušších eukaryotických organismů, je běžně používaným modelovým organismem ve vědeckém výzkumu. Ano, stejný druh, který používáme v chlebu a dalším pečivu! Kvasinky jsou levné, jednoduché a snadno se s nimi pracuje, protože mohou přežívat v různých podmínkách prostředí a každé 2 hodiny se zdvojnásobí. Kvasinky jsou také prvním eukaryotickým genomem, který byl kompletně sekvenován, a je velmi dobře přístupný genetické manipulaci.

Kvasinky jsou skvělým modelovým organismem nejen z výše uvedených důvodů, ale také proto, že ve skutečnosti sdílejí mnoho biologických vlastností a procesů s našimi vlastními buňkami. Stejně jako lidské buňky je DNA kvasinek zabalena do chromozomů a přibližně 23 % kvasinkových genů má protějšek u člověka (Liu et al., 2017) . Kvasinky tak lze využít ke studiu molekulární podstaty lidských onemocnění, která jsou způsobena určitým genem. Například několik genů mutovaných u lidských rakovin má homolog zapojený do dělení kvasinkových buněk (Pray, 2008). Vědecké objevy na kvasinkách pak lze dále studovat na jiných modelových organismech, které lépe napodobují podmínky in vivo podobné lidským.

Kvasinky se například díky své jednoduchosti staly důležitým experimentálním modelem při studiu neurologických onemocnění, jako je Parkinsonova choroba (PD). PD je charakterizována především nesprávným skládáním proteinů, které vede k hromadění proteinových agregátů označovaných jako „lewy bodies“ v mozku. Kvasinkové modely PD, například ty, které nadměrně exprimují toxický protein α-synuklein (nejčastější protein vyskytující se v lewy tělíscích), jsou neocenitelné pro pochopení základních molekulárních mechanismů, které jsou základem tohoto onemocnění (Menezes et al., 2015). Vzhledem k tomu, že kvasinky jsou jednobuněčné organismy, lze je také snadno použít ke screeningu více terapeutických sloučenin v jednom experimentu.

Zebrafish (Danio rerio)

Od 60. let 20. století se zebřička postupně stala důležitým modelovým organismem. S člověkem sdílejí přibližně 70 % svých genů a 85 % lidských genů spojených s nějakým onemocněním má homolog u zebřičky (Howe et al., 2013). Zebřičky jsou malé, snadno se udržují, protože se chovají ve velkých skupinách, snadno se chovají a produkují 50-300 vajíček najednou. Embrya zebřiček se také kladou a oplodňují externě, což vědcům umožňuje snadnou manipulaci s nimi. Vědci mohou jednoduše vstříknout jednobuněčným embryím DNA nebo RNA a upravit jejich genom nebo vytvořit transgenní zvířata.

Zebrafish jsou ideálními modelovými organismy pro studium embryonálního vývoje, protože jejich embrya jsou zcela průhledná. Vědci tak mohou snadno pozorovat raná vývojová stádia, což může být u jiných druhů obratlovců obtížné. Průhlednost také umožňuje vědcům snadno pozorovat fluorescenčně značené proteiny a tkáně a lépe tak hodnotit vývojové procesy.

Laboratoř Stainier například studovala proliferaci a diferenciaci β-buněk ve vyvíjejícím se pankreatu zebřiček. Nejprve tyto buňky označili pomocí plazmidů. Poté pomocí metody HOTcre, která využívá tepelnou indukci ke kontrole časové exprese různých transgenů, Stainerova skupina zjistila, že ve skutečnosti existují dvě odlišné populace β-buněk, které vznikají v různých oblastech pankreatu a produkují různé hladiny inzulinu (Hesselson et al.,

Červ (Caenorhabditis elegans)

Červ Caenorhabditis elegans je hojně využíván jako modelový organismus od 70. let 20. století, kdy jej Sydney Brenner přivedl do laboratoře ke studiu vývoje neuronů (Brenner, 1973). C. elegans jsou malí, průhlední červi, kteří mají rychlý životní cyklus a velkou velikost mláďat. Většina C. elegans jsou také samoplození hermafroditi, což usnadňuje provádění rozsáhlých experimentů ve více generacích. Podobně jako u jiných modelových organismů je i genom C. elegans kompletně sekvenován a více než 60 % lidských genů má u C. elegans svůj ortolog, což je ideální pro studium základních procesů molekulární biologie.

C. elegans jsou také poměrně dobře přístupní genetické manipulaci. Transgenní živočichy lze vytvořit jednoduchou mikroinjekcí DNA do červa, například živočichy, kteří exprimují fluorescenční markery (Mello et al., 1991). Geny lze také snadno vyřadit pomocí RNA interference (RNAi) tím, že červa nakrmíte bakteriemi exprimujícími specifické plazmidy (L4440), které obsahují gen vašeho zájmu (Fire et al., 1998). Objev RNAi u červa skutečně odměnil vkladatele Andrewa Fireho a Craiga Mello Nobelovou cenou v roce 2006.

Jednou z hlavních výhod C. elegans je, že jsou průhlední po celý svůj život. Jakoukoli genetickou modifikaci, například expresi fluorescenčního proteinu nebo narušení genu, tak lze v živém organismu snadno vizualizovat od embryonálního vývoje až po dospělost. Tato schopnost genetické manipulace a vizualizace buněk a tkání umožňuje vědcům provádět studie in vivo, které mohou být u jiných modelových organismů poměrně obtížné. Červi byli použiti ke zkoumání řady biologických systémů a procesů, včetně nervového systému, vývoje, buněčné signalizace, stárnutí a mechanotransdukce, abychom jmenovali alespoň některé z nich. Například laboratoř Andrewa Leifera využila červa ke studiu signalizace vápníku v celém dospělém mozku pomocí plazmidu, který exprimuje geneticky kódovaný vápníkový senzor GCaMP6 (Nguyen et al., 2015). Pokud vás zajímají plazmidy a zdroje pro C. elegans, podívejte se na stránku Addgene’s Worm Expression.

Hledáte další modelové organismy? Podívejte se na druhý díl populární série o modelových organismech a přečtěte si o nových systémech vyvíjených pro nově vznikající modelové organismy!“

Brenner, Sydney. „Genetika 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 HOTcre mediated labeling.“ (Odlišné populace klidových a proliferativních pankreatických β-buněk identifikované pomocí značení HOTcre). Proceedings of the National Academy of Sciences 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“. Nature496.7446 (2013): 498. PubMed PMID: 23594743. PubMed Central PMCID: PMC3703927.

Jennings, Barbara H. „Drosophila-a versatile model in biology & medicine“. Materials today 14.5 (2011): 190-195.

Mello, Craig C., et al. „Efficient gene transfer in C. elegans: extrachromosomal maintenance and integration of transforming sequences“ (Účinný přenos genů u C. elegans: extrachromozomální udržování a integrace transformačních sekvencí). The EMBO journal 10.12 (1991): 3959-3970. PubMed PMID: 1935914. PubMed Central PMCID: PMC453137.

Nguyen, Jeffrey P., et al. „Whole-brain calcium imaging with cellular resolution in freely behaving Caenorhabditis elegans“. Proceedings of the National Academy of Sciences 113.8 (2016): E1074-E1081. PubMed PMID: 26712014.

Pandey, Udai Bhan a Charles D. Nichols. „Modely lidských onemocnění u Drosophila melanogaster a úloha mouchy při objevování terapeutických léčiv“. Pharmacological reviews 63.2 (2011): 411-436. PubMed PMID: 21415126. PubMed Central PMCID: PMC3082451.

.