Xenopus

Xenopus
Zakres czasowy:Oligocen – niedawny
Xenopus laevis.jpg
Xenopus laevis
Klasyfikacja naukowa
Królestwo: Animalia
Gromada: struny
Klasa: Gady
Zamówienie: Anura
Rodzina: Pipidae
Rodzaj:
Ksenopus Wagler 1827
Gatunek

Patrz tekst

Xenopus ( / oo ɛ n ə p ə s / = ) ( gr. , ξενος , xenos = dziwny , πους , pous stopa , powszechnie znany jako żaba szponiasta ) to rodzaj wysoce wodnych żab pochodzących z Afryki Subsaharyjskiej . Obecnie opisano w nim dwadzieścia gatunków. Dwa najbardziej znane gatunki tego rodzaju to Xenopus laevis i Xenopus tropicalis , które są powszechnie badane jako organizmy modelowe dla biologii rozwoju, biologii komórki, toksykologii, neuronauki oraz do modelowania ludzkich chorób i wad wrodzonych.

Rodzaj ten jest również znany z poliploidalności , a niektóre gatunki mają do 12 zestawów chromosomów .

Charakterystyka

Xenopus laevis jest raczej nieaktywnym stworzeniem. Jest niezwykle wytrzymały i może żyć do 15 lat. Czasami stawy, w których Xenopus laevis, wysychają, zmuszając go w porze suchej do zakopywania się w błocie, pozostawiając tunel dla powietrza. Może pozostawać w stanie uśpienia nawet przez rok. Jeśli staw wysycha w porze deszczowej, Xenopus laevis mogą migrować na duże odległości do innego stawu, utrzymując nawodnienie przez deszcze. Jest doskonałym pływakiem, z łatwością pływa we wszystkich kierunkach. Ledwo może skakać, ale potrafi się czołgać. Większość czasu spędza pod wodą i wychodzi na powierzchnię, aby oddychać. Oddychanie odbywa się głównie przez dobrze rozwinięte płuca; oddychanie skórne jest niewielkie.

Opis

Wszystkie gatunki Xenopus mają spłaszczone, nieco jajowate i opływowe ciała oraz bardzo śliską skórę (ze względu na ochronną warstwę śluzu). Skóra żaby jest gładka, ale z linii bocznej , który ma wygląd przypominający ścieg. Wszystkie żaby są doskonałymi pływakami i mają potężne, w pełni błoniaste palce u nóg, chociaż palce nie mają błony. Trzy palce u każdej stopy mają wyraźnie widoczne czarne pazury .

Oczy żaby znajdują się na czubku głowy, patrząc w górę. Źrenice są okrągłe . Nie mają ruchomych powiek , języka (raczej jest on całkowicie przyczepiony do dna jamy ustnej) ani błony bębenkowej (podobnie jak Pipa pipa , surinamska ropucha ).

W przeciwieństwie do większości płazów nie mają haptoglobiny we krwi .

Zachowanie

Xenopus są całkowicie wodne , chociaż zaobserwowano, że migrują na lądzie do pobliskich zbiorników wodnych w czasie suszy lub ulewnego deszczu. Zwykle można je znaleźć w jeziorach , rzekach , bagnach , dziurach w strumieniach i sztucznych zbiornikach.

Dorosłe żaby są zwykle zarówno drapieżnikami , jak i padlinożercami , a ponieważ ich języki są bezużyteczne, żaby używają swoich małych przednich kończyn, aby pomóc w procesie karmienia. Ponieważ nie mają również worków głosowych , wydają kliknięcia (krótkie impulsy dźwiękowe) pod wodą (ponownie podobne do Pipa pipa ). Mężczyźni ustalają hierarchię dominacji społecznej, w której przede wszystkim jeden mężczyzna ma prawo wykonać połączenie reklamowe. Samice wielu gatunków wydają wezwanie do uwolnienia, a Xenopus laevis wydają dodatkowe wezwanie, gdy są podatne seksualnie i wkrótce składają jaja. The Xenopus są również aktywne w godzinach zmierzchu (lub zmierzchu ).

W okresie lęgowym samce rozwijają na palcach przypominające grzbiet poduszki godowe (w kolorze czarnym), aby pomóc w chwytaniu samicy. Uścisk godowy żab jest pachwinowy, co oznacza, że ​​samiec obejmuje samicę wokół talii.

Gatunek

Samica Xenopus laevis z partią świeżo złożonych jaj i samiec Xenopus tropicalis

Istniejące gatunki

Gatunki kopalne

Opisano następujące gatunki kopalne:

Organizm modelowy do badań biologicznych

Podobnie jak wiele innych żab , są często wykorzystywane w laboratoriach jako obiekty badawcze. Zarodki i jaja Xenopus są popularnym systemem modelowym do szerokiej gamy badań biologicznych. To zwierzę jest wykorzystywane ze względu na jego potężną kombinację podatności na eksperymenty i bliskie ewolucyjne pokrewieństwo z ludźmi, przynajmniej w porównaniu z wieloma organizmami modelowymi.

Xenopus od dawna jest ważnym narzędziem do badań in vivo w biologii molekularnej, komórkowej i rozwojowej kręgowców. Jednak szeroki zakres Xenopus wynika z dodatkowego faktu, że bezkomórkowe ekstrakty z Xenopus są pierwszorzędnym systemem in vitro do badań podstawowych aspektów biologii komórkowej i molekularnej. Tym samym Xenopus jest modelowym systemem kręgowców, który umożliwia wysokowydajne analizy in vivo funkcji genów i wysokowydajne biochemie. Ponadto Xenopus oocyty są wiodącym systemem do badań transportu jonów i fizjologii kanałów. Xenopus jest również unikalnym systemem do analizy ewolucji genomu i duplikacji całego genomu u kręgowców, ponieważ różne gatunki Xenopus tworzą serię ploidalności utworzoną przez hybrydyzację międzygatunkową .

W 1931 roku Lancelot Hogben zauważył, że samice Xenopus laevis owulują po wstrzyknięciu moczu ciężarnych kobiet. Doprowadziło to do powstania testu ciążowego, który został później udoskonalony przez południowoafrykańskich naukowców Hillela Abbe Shapiro i Harry'ego Zwarensteina. Samica żaby Xenopus, której wstrzyknięto mocz kobiety, została umieszczona w słoiku z niewielką ilością wody. Jeśli jajka były w wodzie dzień później, oznaczało to, że kobieta jest w ciąży. Cztery lata po pierwszym Xenopusie współpracownik Zwarensteina, dr Louis Bosman, poinformował, że test był dokładny w ponad 99% przypadków. Od lat 30. do 50. XX wieku tysiące żab wyeksportowano na cały świat do wykorzystania w tych testach ciążowych.

National Xenopus Resource of the Marine Biological Laboratory to repozytorium in vivo szczepów transgenicznych i zmutowanych oraz ośrodek szkoleniowy.

Internetowa baza danych organizmów modelowych

Xenbase to modelowa baza danych organizmów (MOD) zarówno dla Xenopus laevis , jak i Xenopus tropicalis .

Badanie genów chorób człowieka

Wszystkie tryby badań Xenopus (zarodki, ekstrakty bezkomórkowe i oocyty) są powszechnie stosowane w bezpośrednich badaniach genów chorób człowieka oraz w badaniu podstawowych nauk leżących u podstaw inicjacji i progresji raka. Embriony Xenopus do badań in vivo funkcji genów ludzkich chorób: zarodki Xenopus są duże i łatwo nimi manipulować, a ponadto w ciągu jednego dnia można uzyskać tysiące zarodków. Rzeczywiście, Xenopusie był pierwszym kręgowcem, dla którego opracowano metody umożliwiające szybką analizę funkcji genów przy użyciu błędnej ekspresji (przez wstrzyknięcie mRNA). Wstrzyknięcie mRNA w Xenopus , które doprowadziło do sklonowania interferonu. Co więcej, zastosowanie morfolino-antysensownych oligonukleotydów do knockdownów genów w zarodkach kręgowców, które jest obecnie szeroko stosowane, zostało po raz pierwszy opracowane przez Janet Heasman przy użyciu Xenopus .

W ostatnich latach podejścia te odegrały ważną rolę w badaniach genów chorób człowieka. Mechanizm działania kilku genów zmutowanych w ludzkich chorobach torbielowatych nerek (np. nefronoftyzie ) był szeroko badany w zarodkach Xenopus , rzucając nowe światło na związek między tymi zaburzeniami, ciliogenezą i sygnalizacją Wnt . Zarodki Xenopus zapewniły również szybkie stanowisko testowe do walidacji nowo odkrytych genów chorobowych. Na przykład badania w Xenopus potwierdziły i wyjaśniły rolę PYCR1 w cutis laxa z cechami progeroidów.

Transgeniczny Xenopus do badania regulacji transkrypcji ludzkich genów chorobowych: zarodki Xenopus rozwijają się szybko, więc transgeneza w Xenopus jest szybką i skuteczną metodą analizy genomowych sekwencji regulatorowych. W niedawnym badaniu wykazano, że mutacje w locus SMAD7 wiążą się z ludzkim rakiem jelita grubego . Mutacje leżały w konserwatywnych, ale niekodujących sekwencjach, co sugeruje, że te mutacje wpłynęły na wzorce SMAD7 . Aby przetestować tę hipotezę, autorzy wykorzystali Xenopus transgenezy i ujawniło, że ten region genomowy kierował ekspresją GFP w jelicie grubym. Co więcej, transgeniki wykonane ze zmutowanej wersji tego regionu wykazywały znacznie mniejszą ekspresję w jelicie grubym.

Bezkomórkowe ekstrakty Xenopus do badań biochemicznych białek kodowanych przez geny chorób człowieka: Wyjątkową zaletą systemu Xenopus jest to, że ekstrakty cytozolowe zawierają zarówno rozpuszczalne białka cytoplazmatyczne, jak i jądrowe (w tym białka chromatyny). Kontrastuje to z ekstraktami komórkowymi przygotowanymi z komórek somatycznych z już odrębnymi przedziałami komórkowymi. Xenopus dostarczyły wielu informacji na temat podstawowej biologii komórek, ze szczególnym wpływem na podział komórek i związane z nim transakcje DNA (patrz poniżej).

Badania ekstraktów z jaj Xenopus dostarczyły również krytycznych informacji na temat mechanizmu działania ludzkich genów chorób związanych z niestabilnością genetyczną i podwyższonym ryzykiem raka, takich jak ataksja teleangiektazyjna, dziedziczny rak piersi i jajnika BRCA1 , zespół złamania Nbs1 Nijmegen, zespół Rothmunda-Thomsona RecQL4 , c-Myc onkogen i białka FANC ( niedokrwistość Fanconiego ).

Xenopus do badań nad ekspresją genów i aktywnością kanałów związanych z chorobami człowieka: Kolejną mocną stroną Xenopus jest możliwość szybkiego i łatwego oznaczania aktywności białek kanałowych i transporterów na podstawie ekspresji w oocytach. Ta aplikacja doprowadziła również do ważnych spostrzeżeń na temat chorób ludzi, w tym badań związanych z przenoszeniem trypanosomów , padaczką z ataksją i głuchotą czuciowo-nerwową , katastrofalnymi zaburzeniami rytmu serca ( zespół długiego odstępu QT ) i leukoencefalopatii megalencefalicznej.

Edycję genów przez system CRISPR/CAS wykazano ostatnio w Xenopus tropicalis i Xenopus laevis . Ta technika jest wykorzystywana do badań przesiewowych wpływu ludzkich genów chorobowych na Xenopus , a system jest wystarczająco wydajny, aby badać skutki w obrębie tych samych zarodków, które zostały zmanipulowane.

Badanie podstawowych procesów biologicznych

Transdukcja sygnału : zarodki Xenopus i ekstrakty bezkomórkowe są szeroko stosowane w badaniach podstawowych nad transdukcją sygnału. W ciągu zaledwie kilku ostatnich lat Xenopus dostarczyły kluczowych informacji na temat mechanizmów transdukcji sygnału TGF-beta i Wnt. Na przykład Xenopus embriony wykorzystano do zidentyfikowania enzymów kontrolujących ubikwitynację Smad4 i wykazania bezpośrednich powiązań między szlakami sygnałowymi nadrodziny TGF-beta a innymi ważnymi sieciami, takimi jak szlak kinazy MAP i szlak Wnt. Co więcej, nowe metody wykorzystujące ekstrakty z jaj ujawniły nowe, ważne cele kompleksu destrukcyjnego Wnt/GSK3.

Podział komórkowy : Ekstrakty z jaj Xenopus umożliwiły badanie wielu skomplikowanych zdarzeń komórkowych in vitro . Ponieważ cytozol jaja może wspierać kolejne cykle między mitozą a interfazą in vitro , miał on kluczowe znaczenie dla różnorodnych badań podziału komórek. Na przykład po raz pierwszy stwierdzono, że mała GTPaza Ran reguluje transport jądrowy między fazami, ale Xenopus ekstrakty z jaj ujawniły kluczową rolę GTPazy Ran w mitozie, niezależnie od jej roli w międzyfazowym transporcie jądrowym. Podobnie ekstrakty wolne od komórek wykorzystano do modelowania składania otoczki jądrowej z chromatyny, ujawniając funkcję RanGTPazy w regulacji ponownego składania otoczki jądrowej po mitozie. Niedawno, stosując Xenopus , można było wykazać specyficzną dla mitozy funkcję laminatu jądrowego B w regulacji morfogenezy wrzeciona i zidentyfikować nowe białka, które pośredniczą w przyłączaniu kinetochoru do mikrotubul. Systemy bezkomórkowe stały się ostatnio praktycznymi narzędziami badawczymi Xenopus są często źródłem stosowanych ekstraktów. Przyniosło to znaczące wyniki w zrozumieniu mitotycznych i mikrotubul .

Rozwój embrionalny : zarodki Xenopus są szeroko stosowane w biologii rozwoju. Podsumowanie ostatnich postępów dokonanych przez Xenopus w ostatnich latach obejmowałoby:

  1. Epigenetyka specyfikacji losu komórki i mapy referencyjne epigenomu
  2. mikroRNA w modelowaniu listka zarodkowego i rozwoju oka
  3. Związek między sygnalizacją Wnt a telomerazą
  4. Rozwój układu naczyniowego
  5. Morfogeneza jelit
  6. Hamowanie kontaktowe i migracja komórek grzebienia nerwowego oraz generowanie grzebienia nerwowego z pluripotencjalnych komórek blastuli
  7. Losy rozwojowe – rola Notch : Dorsky i wsp. 1995 wyjaśnili wzorzec ekspresji, po którym następuje regulacja w dół

Replikacja DNA : Ekstrakty wolne od komórek Xenopus wspierają również synchroniczne składanie i aktywację miejsc inicjacji replikacji DNA. Odegrały one zasadniczą rolę w scharakteryzowaniu biochemicznej funkcji kompleksu przedreplikacyjnego, w tym białek MCM.

na uszkodzenie DNA : Ekstrakty wolne od komórek odegrały kluczową rolę w rozwikłaniu szlaków sygnałowych aktywowanych w odpowiedzi na pęknięcia dwuniciowe DNA (ATM), zatrzymanie widełek replikacyjnych (ATR) lub międzyniciowe wiązania krzyżowe DNA (białka FA i ATR). Warto zauważyć, że kilka mechanizmów i składników tych szlaków transdukcji sygnału zostało po raz pierwszy zidentyfikowanych w Xenopus .

Apoptoza : oocyty Xenopus dostarczają możliwego do zastosowania modelu do biochemicznych badań apoptozy. Ostatnio oocyty wykorzystano ostatnio do badania biochemicznych mechanizmów aktywacji kaspazy-2; co ważne, okazuje się, że mechanizm ten jest zachowany u ssaków.

Medycyna regeneracyjna : W ostatnich latach ogromne zainteresowanie biologią rozwoju zostało podsycone obietnicą medycyny regeneracyjnej. Xenopus również odegrał tutaj rolę. Na przykład ekspresja siedmiu czynników transkrypcyjnych w pluripotencjalnych Xenopus sprawiła, że ​​komórki te po wszczepieniu do embrionów Xenopus mogły rozwinąć się w funkcjonalne oczy , dostarczając potencjalnego wglądu w naprawę zwyrodnienia lub uszkodzenia siatkówki. W zupełnie innym badaniu Xenopus embrionów wykorzystano do zbadania wpływu napięcia tkanki na morfogenezę, co będzie miało kluczowe znaczenie dla inżynierii tkankowej in vitro . Gatunki Xenopus są ważnymi organizmami modelowymi do badania regeneracji rdzenia kręgowego, ponieważ chociaż Xenopus jest zdolny do regeneracji w stadiach larwalnych, traci tę zdolność we wczesnej metamorfozie.

Fizjologia : Ukierunkowane bicie wielorzęskowych komórek ma zasadnicze znaczenie dla rozwoju i homeostazy w ośrodkowym układzie nerwowym, drogach oddechowych i jajowodzie. Wielorzęskowe komórki Xenopus zostały niedawno opracowane jako pierwsze stanowisko testowe in vivo do badań żywych komórek takich tkanek rzęskowych, a badania te dostarczyły ważnych informacji na temat biomechanicznej i molekularnej kontroli bicia kierunkowego.

Aktyna : Kolejnym wynikiem uzyskanym z bezkomórkowych ekstraktów z oocytów Xenopus było lepsze zrozumienie aktyny.

Ekrany małocząsteczkowe w celu opracowania nowych terapii

Ponieważ łatwo uzyskać ogromne ilości materiału, wszystkie metody badań Xenopus są obecnie wykorzystywane do ekranów opartych na małych cząsteczkach.

Genetyka chemiczna wzrostu naczyń u kijanek Xenopus : biorąc pod uwagę ważną rolę neowaskularyzacji w progresji nowotworu, zarodki Xenopus zostały ostatnio wykorzystane do zidentyfikowania nowych małocząsteczkowych inhibitorów wzrostu naczyń krwionośnych. Warto zauważyć, że związki zidentyfikowane w Xenopus były skuteczne u myszy. Warto zauważyć, że embriony żab odegrały znaczącą rolę w badaniu, w którym wykorzystano zasady ewolucyjne do zidentyfikowania nowego czynnika zaburzającego naczynia krwionośne, który może mieć potencjał chemioterapeutyczny. Ta praca została zaprezentowana w New York Times Science Times

in vivo potencjalnych substancji zaburzających gospodarkę hormonalną w transgenicznych zarodkach Xenopus ; Niedawno opracowano wysokowydajny test na zaburzenia czynności tarczycy przy użyciu transgenicznych zarodków Xenopus .

Ekrany małocząsteczkowe w ekstraktach z jaj Xenopus : Ekstrakty z jaj zapewniają gotową analizę procesów biologii molekularnej i mogą być szybko badane. Podejście to wykorzystano do zidentyfikowania nowych inhibitorów degradacji białek za pośrednictwem proteasomów i enzymów naprawy DNA.

Badania genetyczne

Podczas gdy Xenopus laevis jest najczęściej używanym gatunkiem do badań biologii rozwojowej , badania genetyczne, zwłaszcza badania genetyczne w przód, mogą być skomplikowane ze względu na ich pseudotetraploidalny genom . Xenopus tropicalis zapewnia prostszy model do badań genetycznych, posiadający diploidalny genom.

Techniki knockdown ekspresji genów

Ekspresję genów można zmniejszyć różnymi sposobami, na przykład stosując antysensowne oligonukleotydy ukierunkowane na określone cząsteczki mRNA. Oligonukleotydy DNA komplementarne do określonych cząsteczek mRNA są często modyfikowane chemicznie w celu poprawy ich stabilności in vivo . Modyfikacje chemiczne stosowane w tym celu obejmują tiofosforan, 2'-O-metyl, morfolino, amidofosforan MEA i amidofosforan DEED.

Oligonukleotydy morfolinowe

Główny artykuł: Morfolino

Morpholino oligo są używane zarówno w X. laevis, jak i X. tropicalis do badania funkcji białka poprzez obserwację wyników eliminacji aktywności białka. Na przykład zestaw X. tropicalis został przebadany w ten sposób.

Morpholino oligo (MO) to krótkie, antysensowne oligo zbudowane ze zmodyfikowanych nukleotydów. MO mogą hamować ekspresję genów poprzez hamowanie translacji mRNA, blokowanie składania RNA lub hamowanie aktywności i dojrzewania miRNA. MO okazały się skutecznymi narzędziami knockdown w eksperymentach biologii rozwojowej i odczynnikami blokującymi RNA dla komórek w hodowli. MO nie degradują swoich docelowych RNA, ale zamiast tego działają poprzez steryczny mechanizm blokujący w sposób niezależny od RNAzyH. Pozostają stabilne w komórkach i nie wywołują odpowiedzi immunologicznych. Mikroiniekcja MO we wczesnych Xenopus może tłumić ekspresję genów w ukierunkowany sposób.

Podobnie jak wszystkie podejścia antysensowne, różne MO mogą mieć różną skuteczność i mogą powodować niespecyficzne efekty poza celem. Często trzeba przetestować kilka MO, aby znaleźć skuteczną sekwencję docelową. Rygorystyczne kontrole służą do wykazania specyficzności, w tym:

  • Fenokopia mutacji genetycznej
  • Weryfikacja zredukowanego białka metodą western lub barwienia immunologicznego
  • Ratowanie mRNA poprzez dodanie z powrotem mRNA odpornego na MO
  • użycie 2 różnych MO (blokowanie translacji i blokowanie splicingu)
  • wstrzykiwanie kontrolnych MO

Xenbase zapewnia przeszukiwalny katalog ponad 2000 MO, które zostały specjalnie wykorzystane w badaniach Xenopus. Dane można przeszukiwać za pomocą sekwencji, symbolu genu i różnych synonimów (stosowanych w różnych publikacjach). Xenbase mapuje MO do najnowszych Xenopus w GBrowse, przewiduje trafienia „poza celem” i wymienia całą literaturę Xenopus , w której opublikowano morfolino.

Linki zewnętrzne

  • Xenbase ~ Zasób sieciowy Xenopus laevis i tropicalis
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Xenopus&oldid=1136179314 ”