Использование светящихся рыб для обнаружения вредных пестицидов

Врожденные дефекты, связанные с хромосомными аномалиями, часто возникают из-за воздействия химических веществ на ранних этапах жизни матери. Однако определение виновных химикатов — серьезная проблема, подобная расследованию ДТП со смертельным исходом спустя десятилетия. Два исследователя из Колледжа биологических наук Калифорнийского университета в Дэвисе разрабатывают метод, который с помощью красно- и зеленосветящихся рыбок данио-рерио (zebrafish) может значительно ускорить идентификацию вредных химических веществ.

Их работа может помочь миллионам жителей Центральной долины Калифорнии, которые подвергаются повышенному риску воздействия пестицидов из-за проживания или работы рядом с сельскохозяйственными угодьями. Воздействие пестицидов может вызывать как острые, так и долгосрочные проблемы со здоровьем, включая вред репродуктивной системе. Этот вред часто возникает из-за того, что химические вещества нарушают чувствительные стадии развития плода, когда формируются клетки, которые в будущем будут производить сперматозоиды или ооциты.

Поиск межпоколенческих эффектов

«Вы не увидите эффект, пока эти дети не вырастут и сами не попытаются завести детей», — говорит Шон Бёрджесс. В этот момент женщины могут столкнуться с бесплодием или повторяющимися выкидышами; их дети могут иметь повышенный риск синдрома Дауна или других серьезных состояний, вызванных наличием лишних копий хромосом.

Бёрджесс и Брюс Дрейпер разрабатывают метод, который может значительно ускорить скрининг химических веществ и быстрее выявлять те, что оказывают долгосрочное влияние на репродуктивную функцию. Промежуток между химическим «наездом» и репродуктивными последствиями часто составляет десятилетия, отмечает Бёрджесс: «Мы сокращаем это время до, по сути, недель».

Стандартное тестирование на мышах медленное и дорогое, так как требует вскрытия и изучения репродуктивных тканей каждого животного. Исследователи планируют обойти этот громоздкий процесс, используя новую линию рыбок данио-рерио (Danio rerio). Этот вид пресноводных рыб часто используется как модельный организм для изучения ранних стадий развития человека.

«Семьдесят процентов генов данио имеют человеческие аналоги — ортологи», — говорит Дрейпер. Для генов, вовлеченных в оогенез (производство женских ооцитов), этот процент еще выше.

Данио хорошо подходят для изучения репродуктивных эффектов химикатов, потому что, в отличие от млекопитающих, их пол определяется не специальными X или Y хромосомами, а частично — факторами окружающей среды. В неволе примерно половина рыб развивается в самок. Но если личинки подвергнутся воздействию химических веществ, нарушающих оогенез, то больший процент разовьется в самцов. Это позволяет проверять химикат на репродуктивную токсичность, воздействуя им на несколько десятков личинок и наблюдая через несколько недель, сместилось ли соотношение полов в сторону самцов.

Для этого Дрейпер и Бёрджесс используют генетически модифицированных данио, чей пол виден по цветовой кодировке. Эти рыбы, созданные в лаборатории Дрейпера, имеют три генетические модификации:

1. Их клетки Сертоли (присутствуют только в мужской гонаде) производят зеленый флуоресцентный белок.
2. Их ооциты (присутствуют только в женской гонаде) производят красный флуоресцентный белок.
3. Рыбы производят меньше природного пигмента, что делает их тела более прозрачными и цвета гонад — более четкими.

Данио дешевле и проще в содержании, чем грызуны. Исследователи планируют выращивать по 80 личинок в аквариуме, подвергая их воздействию определенного химического вещества между 10 и 20 днями после оплодотворения. Обычно для визуального определения пола данио нужно ждать 90 дней после оплодотворения. Но цветные гонады позволят сделать это уже на 40-й день.

«Мы сможем определить пол целой когорты из 80 животных практически одновременно, просто сделав снимок», — говорит Дрейпер. Необычно высокий процент самцов или самок, а также интерсекс-особи с гонадами, светящимися и красным, и зеленым, укажут на репродуктивную токсичность химического вещества.

Анализ GloNad

В начале этого года Бёрджесс и Дрейпер начали разработку своего анализа GloNad для скрининга токсичности. Они надеются, что позже в этом году смогут начать пилотный эксперимент по проверке девяти наиболее часто используемых в Калифорнии пестицидов на репродуктивные эффекты.

Этот первоначальный тест может открыть путь для более широкого использования анализа GloNad. В настоящее время в Калифорнии известно о 90 пестицидах, вызывающих врожденные дефекты или репродуктивный вред. Однако токсичность может быть потенциально связана с более широким спектром пестицидов и других химических веществ, таких как бисфенолы, используемые при производстве некоторых пластиков.

Главное преимущество анализа GloNad в том, что его можно масштабировать для тестирования гораздо большего числа химических веществ, чем это возможно сейчас. И каждое из этих веществ можно тестировать на большом количестве рыб, что позволяет обнаруживать даже редкие репродуктивные эффекты.

«Это намного эффективнее всего, что есть сейчас», — говорит Дрейпер. — «Мы имеем большие ожидания, что это сработает».