Нотобранхиус Фюрцера: модель для изучения старения

Нотобранхиус Фюрцера (Nothobranchius furzeri) — африканская рыбка-киллифиш, чья продолжительность жизни составляет всего несколько месяцев. За это короткое время она проходит все стадии жизни, от личинки до глубокой старости. Эта необычная для позвоночных черта сделала её перспективной моделью для исследований старения.

Уникальная модель

Дарьо Валенцано из Института биологии старения Общества Макса Планка (Кёльн) уже более десяти лет развивает Nothobranchius furzeri как модельный организм. Его цель — создать «позвоночный эквивалент дрозофилы» для изучения биологии старения. Существующие модели имеют недостатки: мыши живут 2–3 года (долгий эксперимент), а нематоды и плодовые мушки, хоть и живут неделями, далеки от человека как беспозвоночные. Киллифиш, будучи позвоночным, сочетает близкое родство с человеком и чрезвычайно короткую жизнь.

Эволюция короткой жизни

Короткая жизнь рыбки связана с её средой обитания — временными водоёмами на юге Африки. Вода там присутствует от 2 до 7 месяцев в году. Чтобы оставить потомство, рыба должна быстро созреть: половозрелой она становится уже через 3–4 недели после вылупления. После размножения начинается стремительное старение: блекнут цвета, изнашиваются плавники, искривляется позвоночник. Эволюции безразличен процесс старения, если следующее поколение уже обеспечено. Икра переживает засуху в состоянии диапаузы на дне высохшего водоёма.

Признаки старения и факторы влияния

В лаборатории у стареющих нотобранхиусов развиваются болезни, характерные и для человека:

  • Когнитивный спад (медленнее обучаются).
  • Отложения белков и повреждения в мозге.
  • Опухоли (рак — основная причина смерти лабораторных рыб).
  • Снижение фертильности, потеря пигмента, искривление позвоночника, ухудшение работы почек.

На продолжительность жизни влияют внешние факторы:

  • Температура: в более холодной воде старение замедляется.
  • Пища: при её нехватке рыбы живут дольше (феномен, известный и для дрозофил с нематодами). Возможно, эти факторы служат сигналом о благоприятности условий для размножения.

Превращение в модельный организм

Путь нотобранхиуса в науку был непростым. Валенцано пришлось:

  1. Разработать стандартные протоколы содержания и разведения для воспроизводимости результатов между лабораториями.
  2. Доказать, что рыба именно стареет, а не просто рано умирает, обнаружив возрастные изменения в мозге и поведении.
  3. Создать генетические инструменты. Главной проблемой была прочная оболочка икры. Методом проб и ошибок, используя короткие жёсткие иглы, учёные смогли ввести в икру «прыгающий ген» и впервые модифицировать геном Nothobranchius furzeri.
  4. Расшифровать геном рыбки, сделав данные доступными научному сообществу.

Теперь с нотобранхиусом можно работать на уровне дрозофилы или мыши: секвенировать геном, отключать гены с помощью CRISPR/Cas9. Например, американские исследователи вывели линию с дисфункциональным геном теломеразы, у которой признаки старения (снижение фертильности, предрасположенность к опухолям) проявлялись уже в 2 месяца.

Новые направления: микробиом и дикая природа

Валенцано исследует не только геном, но и микробиом кишечника. У старых рыб состав микрофлоры иной, более связанный с патологическими состояниями. Учёный проверяет гипотезу, можно ли продлить жизнь рыбы, трансплантировав ей микробиом от молодой особи (после очистки кишечника антибиотиком).

Ключевой этап — изучение рыб в дикой природе, чтобы понять эволюцию старения. В 2004 году в Мозамбике были найдены дикие популяции. Их продолжительность жизни (25–32 недели) оказалась больше, чем у лабораторного инбредного штамма GRZ (9–13 недель). Рыбы из засушливых высокогорных районов старели и умирали быстрее, чем из влажных прибрежных низменностей.

Штамм GRZ происходит от пары рыб, отловленных Ричардом Фюрцером в 1968 году в Зимбабве (регион ещё суше мозамбикского). За ~80 поколений в неволе рыбы стали генетически почти идентичными. Это идеально для генетических исследований, но оставался вопрос: их сверхкороткая жизнь — следствие инбридинга или суровых природных условий?

Чтобы это выяснить, в 2015 году Валенцано получил разрешение взять образцы тканей для генетического и микробиомного анализа в национальном парке Гонарежу в Зимбабве (на родине штамма GRZ). Сравнение геномов диких популяций из Мозамбика и Зимбабве с геномом GRZ должно показать, какие гены контролируют старение и как эволюция приспосабливает продолжительность жизни к условиям среды.

Это долгосрочный проект на 20–30 лет. За это время в лаборатории сменится 40–60 поколений рыб, что в пересчёте на человеческую жизнь эквивалентно 1000–1500 годам. В этом — уникальное преимущество нотобранхиуса как модели для изучения старения.