Embryonalentwicklung und genetische Methoden im Zebrafisch (Danio rerio)

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Der Zebrafisch als Genetischer Modellorganismus

Zebrafisch (Danio rerio), im Vordergrund ein Weibchen.

Erwachsene Fische werden 5-6 cm lang, sind mit 12-15 Monaten geschlechtsreif und stellen keine großen Ansprüche in der Zucht. Diese und weitere Gründe machen sie attraktiv für genetische Analysen.

Der Zebrafisch, Danio rerio (früher als Brachydanio rerio bezeichnet), wurde erstmals 1822 beschrieben und erfreut sich seit Anfang des 20. Jahrhunderts weltweit großer Beliebtheit als Aquarienzierfisch. Beheimatet sind Zebrafische in den Zuflüssen des Ganges, in Bengalen, Nepal, Pakistan und Bangladesh, wo sie in langsam fließenden oder stehenden Gewässern, wie z.B. Reisfeldern, leben. Der Zebrafisch gehört zur Familie der Karpfenfische (Cyprinidae), die mit mehr als 1400 Arten zur artenreichsten Familie der Fische zählt.

Die Geschlechter sind, besonders wenn sie laichreif sind, gut unterscheidbar: beim etwas kleineren Männchen ist der Untergrund zwischen den blauen Längsstreifen goldgelb bis rötlich, beim Weibchen silbrig bis weiß.

Natürliche Verbreitung von Danio rerio

Mutanten: Grundlage für das Verständnis der Entwicklung von Embryonen und ihrer Organsysteme

Die Entwicklungsbiologie ist jener Zweig der Lebenswissenschaften, der sich mit den Mechanismen der Entstehung eines Organismus aus einer befruchteten Eizelle beschäftigt. Unser Wissen über die genetische Regulation der Entwicklung stützt sich auf die reiche Ausbeute genetischer Screens nach Mutationen, die das normale Entwicklungsprogramm auf die eine oder andere Weise stören. Die Analyse von hunderten von mutanten Linien in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster und dem Nematoden C. elegans, sowie die Charakterisierung der orthologen Gene in Frosch, Hühnchen und Maus, führten zu der erstaunlichen Erkenntnis, dass viele genetische Mechanismen innerhalb der Tierwelt konserviert sind. Dennoch kann das aus den Mutanten wirbelloser Modellorganismen gewonnene Wissen nicht ausreichen, um die Entwicklung von Wirbeltieren, Säugern und letztlich dem Menschen zu verstehen.

Allen Wirbeltieren sind Eigenschaften ihres Bauplans gemeinsam, die in Wirbellosen fehlen. Dazu gehören die Chorda dorsalis ("notochord"), ein embryonales Stützgewebe und wichtiges Signalzentrum für die Bildung umliegender Gewebe, sowie die als "viertes Keimblatt" bezeichneten Zellen der Neuralleisten ("neural crest"). Neuralleistenzellen tragen zur Bildung von Knochen und Knorpel, Pigmentzellen und peripherem Nervensystem bei. Auch Herz, Leber, Bauchspeicheldrüse und das Blutgefäßsystem haben keine homologen Organe in wirbellosen Tieren, sondern höchstens Strukturen ähnlicher Funktion, die durch Konvergenz entstanden sind. Um ihre Entstehung während der Embryogenese zu erforschen, ist ein Wirbeltier-Modellorganismus notwendig, der sich genetisch manipulieren lässt.

Eine der großen Hoffnungen der Entwicklungsbiologie ist es, ähnlich wie in Drosophila, durch groß angelegte genetische Screens Mutationen in jedem einzelnen Gen zu isolieren, das bei der Entwicklung eines Wirbeltierembryos und seiner Organe eine Rolle spielt. Solche Mutanten-Screens zielen auf die Sättigung des Genoms mit Mutationen ab und erfordern folglich eine immense Anzahl von Tieren. Bei der Suche nach dem geeigneten Modellsystem für genetische Analysen bietet sich offensichtlich die Maus an, deren Gene durch knockout-Methoden gezielt ausgeschaltet werden können. Doch erstens sind die Kosten, die mit einem Sättigungsscreen in der Maus verbunden sind, immens hoch, und zweitens basieren "knockouts" auf a priori Annahmen über die Funktion des ausgeschalteten Gens. Am Beispiel der Chorda dorsalis hieße das, anstatt das betroffene Gen in einer Mutante ohne Chorda dorsalis zu identifizieren, werden Gene ausgeschaltet, die man aufgrund anderer experimenteller Ansätze mit der Entwicklung der Chorda dorsalis in Verbindung bringt, um dann zu schauen, ob sie tatsächlich eine Funktion in ihrer Entwicklung haben.

Ein weiterer wichtiger Anspruch an ein Modellsystem ist die Forderung, dass die gewonnenen Erkenntnisse auf den Menschen übertragbar sind. Die Frage nach unserer eigenen Herkunft ist nicht nur eine philosophische, sie stellt sich auch in der Entwicklungsbiologie. Der Mensch möchte wissen, wie er sich entwickelt, er möchte verstehen, auf welchen genetischen Defekten Erbkrankheiten beruhen, und wie sie frühzeitig erkannt und vielleicht behoben werden können. Der medizinische Aspekt spielt daher eine wichtige Rolle bei der Wahl des genetischen Modellsystems.

Warum Zebrafisch?

Wieso hat dieser relativ unscheinbare Fisch, der heimischen Aquarienbesitzern als Zebrabärbling bekannt ist, eine so steile Karriere in der Wissenschaft erfahren? Mehrere Eigenschaften spielten eine Rolle, warum der Zebrafisch mittlerweile zu einem erfolgreichen und weit verbreiteten Modellorganismus in der Genetik wurde:

· sich die Embryonen sich vollständig ausserhalb der Mutter entwickeln.

· die Embryonen optisch durchsichtig sind: Alle Zellen sind bis in frühe Larvenstadien sichtbar.

· die Embryonen groß genug sind, um klassische Transplantationsexperimente an den Zebrafisch anzupassen: Einzelne Zellen oder Zellverbände können entfernt oder in einen anderen Embryo transplantiert werden.

Als diploider Organismus eignet er sich hervorragend für genetische Analysen und Screens, da

· er einen kurzen Generationszyklus hat: Mit zwölf bis 16 Wochen sind die Tiere geschlechtsreif.

· Zebrafische bei idealen Bedingungen regelmäßig große Mengen an Eiern legen: Ein Weibchen kann wöchentlich bis zu 300 Eier ablaichen.

· die Hälterung wenig Platz in Anspruch nimmt: seine kleine Größe von bis zu fünf Zentimetern und seine genügsamen Ansprüche an Wasser, Futter und Beckengröße machen den Zebrafisch als Wirbeltier zu einem vergleichsweise preiswerten Labortier.

· vielfältige und effiziente Methoden zur Mutagenese und zum Screenen nach Mutanten etabliert worden sind: Methoden wurden entwickelt, um die Ploidie (die Anzahl homologer Chromosomensätze) des Zebrafischs zu verändern; verschiedene Mutageneseprotokolle wurden etabliert und Screening-Methoden entwickelt, die es erlauben, nicht nur Mutanten mit morphologisch sichtbaren Entwicklungsdefekten zu isolieren, sondern auch Mutanten mit äusserlich nicht sichtbaren physiologischen Veränderungen oder Veränderungen im Verhalten zu entdecken.

Nicht minder wichtig ist schließlich, dass der Zebrafisch eine Vielzahl mit dem Menschen gemeinsamer Eigenschaften besitzt. Viele der beim Zebrafisch gewonnenen entwicklungsbiologischen Erkenntnisse lassen sich auf den Menschen übertragen. Schon jetzt werden viele Zebrafischmutanten als Tiermodelle für genetische Erkrankungen des Menschen heran gezogen.

Autor und Website: Dr. Gerrit Begemann

Letzte Änderung: 1 Juli 2004