Войти
| Xenopus | |
|---|---|
 | |
| Xenopus laevis | |
Научная классификация  | |
| Домен: | Eukaryota |
| Королевство: | Animalia |
| Тип: | Chordata |
| Класс: | Amphibia |
| Отряд: | Anura |
| Семейство: | Pipidae |
| Род: | Xenopus. Wagler 1827 |
| Виды | |
См. Текст | |
Xenopus () (греч., Ξενος, xenos = странный, πους, pous = фут, широко известный как когтистая лягушка ) - это род высоко водных лягушек, обитающих в Африке к югу от Сахары. В настоящее время в нем описано двадцать видов. Двумя наиболее известными видами этого рода являются Xenopus laevis и Xenopus tropicalis, которые обычно изучаются как модельные организмы для биологии развития, клеточной биологии, токсикологии и т. Д. в нейробиологии и моделировании заболеваний и врожденных дефектов человека.
Род также известен своей полиплоидностью, при этом некоторые виды имеют до 12 наборов хромосом.
Xenopus laevis - довольно неактивное существо. Он невероятно вынослив и может жить до 15 лет. Иногда водоемы, в которых обитает Xenopus laevis, пересыхают, вынуждая его в засушливый сезон зарываться в грязь, оставляя туннель для воздуха. Он может находиться в неактивном состоянии до года. Если пруд пересыхает в сезон дождей, Xenopus laevis может мигрировать на большие расстояния в другой пруд, поддерживая гидратацию дождями. Это искусный пловец, легко плавающий во всех направлениях. Прыгать еле-еле, но ползать умеет. Большую часть времени он проводит под водой и выходит на поверхность, чтобы дышать. Дыхание происходит преимущественно через хорошо развитые легкие; кожное дыхание слабое.
Все виды Xenopus имеют уплощенное, несколько яйцевидное и обтекаемое тело и очень скользкую кожу (из-за защитного слизистого покрытия). Кожа лягушки гладкая, но с боковой линией сенсорным органом, имеющим вид петельки. Все лягушки прекрасные пловцы, у них мощные, полностью перепончатые пальцы ног, хотя на пальцах нет перепонок. По три пальца на каждой ноге имеют заметные черные когти.
Глаза лягушки находятся на макушке головы и смотрят вверх. зрачки круглые. У них нет подвижных век, языков (скорее, он полностью прикреплен к дну рта) или барабанных перепонок (аналогично Pipa pipa, обыкновенная суринамская жаба ).
В отличие от большинства земноводных, у них гаптоглобин в крови.
Виды Xenopus полностью водные, хотя они наблюдались мигрирующими по суше к близлежащим водоемам во время засухи или сильного дождя. Обычно они встречаются в озерах, реках, болота, выбоины в ручьях и искусственные водоемы.
Взрослые лягушки обычно одновременно хищники и падальщики, и, поскольку их языки непригодны для использования, лягушки используют свои маленькие передние конечности для помощи в процессе кормления. Поскольку у них также отсутствуют голосовые мешочки, они издают щелчки (короткие звуковые импульсы) под водой (опять же, аналогично Pipa pipa ). Мужчины устанавливают иерархию социального доминирования, в которой в первую очередь один мужчина имеет право е рекламный звонок. Самки многих видов издают сигнал освобождения, а самки Xenopus laevis издают дополнительный сигнал, когда они сексуально восприимчивы, и вскоре откладывают яйца. Виды Xenopus также активны в сумеречные часы (или сумеречные ).
Во время сезона размножения у самцов на пальцах появляются гребневидные брачные подушечки (черного цвета), помогающие в схватив самку. Брачные объятия лягушек являются паховыми, то есть самец обнимает самку вокруг ее талии.
Самка Xenopus laevis с партией свежеотнесенных яиц и самец Xenopus tropicalis Были описаны следующие ископаемые виды:
Как и многие другие бесхвостые животные, они часто используются в лаборатории в качестве объектов исследования. Эмбрионы и яйца Xenopus - популярная модельная система для самых разных биологических исследований. Это животное используется из-за мощного сочетания экспериментальной послушности и тесной эволюционной связи с людьми, по крайней мере, по сравнению со многими модельными организмами.
Xenopus долгое время был важным инструментом для исследований in vivo в молекулярных, клеточных и биология развития позвоночных животных. Однако широкий спектр исследований Xenopus проистекает из того факта, что бесклеточные экстракты, полученные из Xenopus, являются ведущей системой in vitro для изучения фундаментальных аспектов клеточной и молекулярной биологии. Таким образом, Xenopus - единственная модельная система позвоночных, которая позволяет проводить высокопроизводительный анализ функций генов in vivo и высокопроизводительную биохимию. Кроме того, ооциты Xenopus являются ведущей системой для изучения транспорта ионов и физиологии каналов. Xenopus также является уникальной системой для анализа эволюции генома и дупликации всего генома у позвоночных, поскольку различные виды Xenopus образуют серию плоидности, образованную межвидовой гибридизацией.
В 1931 году Ланселот Хогбен отметили, что у самок Xenopus laevis овуляция происходила при введении им мочи беременных женщин. Это привело к тесту на беременность, который позже был усовершенствован южноафриканскими исследователями Хиллелем Абби Шапиро и Гарри Зваренстайном. Самка лягушки Xenopus, которой вводили женскую мочу, помещалась в банку с небольшим количеством воды. Если яйца были в воде на день позже, это означало, что женщина беременна. Через четыре года после первого теста Xenopus коллега Зваренштейна, доктор Луи Босман, сообщил, что тест был точным более чем в 99% случаев. С 1930-х по 1950-е годы тысячи лягушек были экспортированы по всему миру для использования в этих тестах на беременность.
Xenbase - это модельная база данных организмов (MOD) для Xenopus laevis и Xenopus tropicalis.
Все методы исследования Xenopus (эмбрионы, бесклеточные экстракты и ооциты) являются обычно используется в прямых исследованиях генов болезней человека и для изучения фундаментальных научных основ возникновения и прогрессирования рака. Эмбрионы Xenopus для исследований функции генов болезней человека in vivo: Эмбрионы Xenopus большие, и ими легко манипулировать, и, кроме того, тысячи эмбрионов могут быть получены за один день. Действительно, Xenopus был первым позвоночным животным, для которого были разработаны методы, позволяющие быстро анализировать функцию генов с использованием неправильной экспрессии (путем инъекции мРНК). Инъекция мРНК в Xenopus, что привело к клонированию интерферона. Более того, использование морфолино-антисмысловых олигонуклеотидов для нокдаунов генов в эмбрионах позвоночных, которое сейчас широко используется, было впервые разработано Джанет Хисман с использованием Xenopus.
В последние годы эти подходы сыграли важную роль в исследованиях. генов болезней человека. Механизм действия нескольких генов, мутировавших при кистозных заболеваниях почек человека (например, нефронофтиз ), был тщательно изучен на эмбрионах Xenopus, что пролило новый свет на связь между этими заболеваниями, цилиогенезом и Сигнализация Wnt. Эмбрионы Xenopus также предоставили быстрый стенд для проверки недавно обнаруженных генов болезней. Например, исследования на Xenopus подтвердили и выяснили роль PYCR1 в cutis laxa с прогероидными характеристиками.
Трансгенный Xenopus для изучения регуляции транскрипции генов болезней человека: эмбрионы Xenopus развиваются быстро, поэтому трансгенез in Xenopus - это быстрый и эффективный метод анализа регуляторных последовательностей генома. В недавнем исследовании было выявлено, что мутации в локусе SMAD7 связаны с человеческим колоректальным раком. Мутации лежат в консервативных, но некодирующих последовательностях, что позволяет предположить, что эти мутации влияют на паттерны транскрипции SMAD7. Чтобы проверить эту гипотезу, авторы использовали трансгенез Xenopus и обнаружили, что эта геномная область управляет экспрессией GFP в задней части кишечника. Более того, трансгены, созданные с мутантной версией этой области, проявляли значительно меньшую экспрессию в задней части кишечника.
Бесклеточные экстракты Xenopus для биохимических исследований белков, кодируемых генами болезней человека: Уникальное преимущество системы Xenopus состоит в том, что цитозольные экстракты содержат растворимые цитоплазматические и ядерные белки (включая белки хроматина). Это контрастирует с клеточными экстрактами, приготовленными из соматических клеток с уже отдельными клеточными компартментами. Экстракты яиц Xenopus предоставили многочисленные сведения об основной биологии клеток с особым влиянием на деление клеток и связанные с ним транзакции ДНК (см. Ниже).
Исследования экстрактов яиц Xenopus также дали критическое представление о механизме действия генов болезней человека, связанных с генетической нестабильностью и повышенным риском рака, таких как атаксия, телеангиэктазия, BRCA1, унаследованная грудью и яичниками. рак, синдром разрыва Nbs1 Неймегена, синдром RecQL4 Ротмунда-Томсона, c-Myc онкоген и белки FANC (анемия Фанкони ).
ооциты Xenopus для исследований экспрессии генов и активности каналов, связанных с заболеванием человека: Еще одной сильной стороной Xenopus является способность быстро и легко анализировать активность каналов и белков-переносчиков с использованием экспрессии в ооцитах. Это приложение также привело к важному пониманию болезней человека, включая исследования, связанные с передачей трипаносомы, Эпилепсия с атаксией и сенсоневральной глухотой Катастрофическая сердечная аритмия (синдром удлиненного интервала QT ) и мегалэнцефалическая лейкоэнцефалопатия. 117>
Редактирование генов CRISPR / Система CAS недавно была продемонстрирована на Xenopus tropicalis и Xenopus laevis. Этот метод используется для скрининга эффектов генов болезней человека у Xenopus, и система достаточно эффективна для изучения эффектов в тех же эмбрионах, с которыми были произведены манипуляции.
Передача сигнала : Эмбрионы Xenopus и бесклеточные экстракты широко используются для фундаментальных исследований в области передачи сигналов. Всего за последние несколько лет эмбрионы Xenopus предоставили важную информацию о механизмах трансдукции сигналов TGF-beta и Wnt. Например, эмбрионы Xenopus были использованы для идентификации ферментов, которые контролируют убиквитинирование Smad4, и для демонстрации прямых связей между сигнальными путями суперсемейства TGF-бета и другими важными сетями, такими как путь киназы MAP и путь Wnt. Более того, новые методы с использованием яичных экстрактов позволили выявить новые важные мишени комплекса разрушения Wnt / GSK3.
Деление клеток : экстракты яиц Xenopus позволили изучить многие сложные клеточные процессы in vitro. Поскольку цитозоль яйца может поддерживать последовательные циклы между митозом и интерфазой in vitro, он имеет решающее значение для различных исследований деления клеток. Напр., Малая GTPase Ran была впервые обнаружена для регуляции межфазного ядерного транспорта, но экстракты яиц Xenopus выявили критическую роль Ran GTPase в митозе, независимо от ее роли в межфазном ядерном транспорте. Точно так же бесклеточные экстракты использовали для моделирования сборки ядерной оболочки из хроматина, показывая функцию RanGTPase в регуляции повторной сборки ядерной оболочки после митоза. Совсем недавно, используя экстракты яиц Xenopus, можно было продемонстрировать специфичную для митоза функцию ядерного ламина B в регуляции морфогенеза веретена и идентифицировать новые белки, которые опосредуют прикрепление кинетохор к микротрубочкам.
Эмбриональное развитие : эмбрионы Xenopus широко используются в биологии развития. Краткое изложение последних достижений, сделанных Xenopus в последние годы, включает:
Репликация ДНК : экстракты Xenopus, не содержащие клеток, также поддерживают синхронную сборку и активацию источников репликации ДНК. Они сыграли важную роль в характеристике биохимической функции пререпликативного комплекса, включая белки MCM.
Повреждение ДНК ответ: Бесклеточные экстракты сыграли важную роль в раскрытии сигнальных путей, активируемых в ответ на двухцепочечные разрывы ДНК ( ATM), остановка репликационной вилки (ATR) или межцепочечные сшивки ДНК (белки FA и ATR). Примечательно, что несколько механизмов и компонентов этих путей передачи сигналов были впервые идентифицированы у Xenopus.
Апоптоз : ооциты Xenopus представляют собой поддающуюся поддающейся обработке модель для биохимических исследований апоптоза. Недавно ооциты были использованы для изучения биохимических механизмов активации каспазы-2; что важно, этот механизм оказывается сохраненным у млекопитающих.
Регенеративная медицина : В последние годы огромный интерес к биологии развития подогревался перспективой регенеративной медицины. Ксенопус тоже сыграл здесь свою роль. Например, экспрессия семи факторов транскрипции в плюрипотентных клетках Xenopus делает эти клетки способными развиваться в функциональные глаза при имплантации в эмбрионы Xenopus, что дает потенциальную информацию о восстановлении дегенерации или повреждения сетчатки. В совершенно другом исследовании эмбрионы Xenopus использовались для изучения влияния натяжения тканей на морфогенез - проблемы, которая будет иметь решающее значение для тканевой инженерии in vitro. Виды Xenopus являются важными модельными организмами для изучения регенерации спинного мозга, потому что, будучи способными к регенерации на личиночных стадиях, Xenopus теряют эту способность на ранних стадиях метаморфоза.
Физиология : Направленное биение мультицилифицированных клеток имеет важное значение для развития и гомеостаз в центральной нервной системе, дыхательных путях и яйцеводах. Множественные клетки эпидермиса Xenopus были недавно разработаны в качестве первого испытательного стенда in vivo для исследований таких реснитчатых тканей на живых клетках, и эти исследования предоставили важную информацию о биомеханическом и молекулярном контроле направленного биения.
Поскольку огромное количество материала легко получить, все методы исследования Xenopus теперь используются для скрининга на основе малых молекул.
Химическая генетика роста сосудов у головастиков Xenopus: учитывая важную роль неоваскуляризации в прогрессировании рака, эмбрионы Xenopus недавно были использованы для идентификации новых малых молекул-ингибиторов роста кровеносных сосудов. Примечательно, что соединения, идентифицированные в Xenopus, были эффективны у мышей. Примечательно, что эмбрионы лягушки занимали видное место в исследовании, в котором использовались принципы эволюции для определения нового агента, разрушающего сосуды, который может иметь химиотерапевтический потенциал. Эта работа была опубликована в New York Times Science Times
Тестирование потенциальных эндокринных разрушителей in vivo на трансгенных эмбрионах Xenopus; Недавно был разработан высокопроизводительный анализ нарушения работы щитовидной железы с использованием трансгенных эмбрионов Xenopus.
Скрининг малых молекул в экстрактах яиц Xenopus: экстракты яиц обеспечивают готовый анализ молекулярно-биологических процессов и могут быстро подвергаться скринингу. Этот подход был использован для выявления новых ингибиторов протеасом-опосредованной деградации белков и ферментов репарации ДНК.
В то время как Xenopus laevis является наиболее часто используемым видом для биологии развития исследования, генетические исследования, особенно перспективные генетические исследования, могут быть осложнены их псевдотетраплоидным геномом. Xenopus tropicalis представляет собой более простую модель для генетических исследований, имеющую диплоидный геном.
Экспрессию генов можно снизить различными способами, например, используя антисмысловые олигонуклеотиды, нацеленные на специфические молекулы мРНК. ДНК-олигонуклеотиды, комплементарные определенным молекулам мРНК, часто химически модифицируются для повышения их стабильности in vivo. Химические модификации, используемые для этой цели, включают фосфоротиоат, 2'-O-метил, морфолино, фосфорамидат MEA и фосфорамидат DEED.
Морфолиноолигонуклеотиды используются как в X. laevis, так и в X. tropicalis, чтобы исследовать функцию белка, наблюдая за результатами устранения активности белка. Например, таким образом был проведен скрининг набора генов X. tropicalis.
Морфолиноолиго (МО) - короткие антисмысловые олигонуклеотиды, состоящие из модифицированных нуклеотидов. МО могут подавлять экспрессию генов, ингибируя трансляцию мРНК, блокируя сплайсинг РНК или ингибируя активность и созревание миРНК. МО доказали, что они являются эффективными инструментами нокдауна в экспериментах по биологии развития и реагентами, блокирующими РНК для клеток в культуре. MO не разрушают свои РНК-мишени, а вместо этого действуют посредством стерического блокирующего механизма, независимого от РНКазыH. Они остаются стабильными в клетках и не вызывают иммунных ответов. Микроинъекция МО в ранние эмбрионы Xenopus может целенаправленно подавлять экспрессию генов.
Как и все антисмысловые подходы, разные МО могут иметь разную эффективность и могут вызывать нецелевые, неспецифические эффекты. Часто необходимо тестировать несколько МО, чтобы найти эффективную последовательность-мишень. Для демонстрации специфичности используются строгие контроли, в том числе:
Xenbase предоставляет доступный для поиска каталог из более чем 2000 MO, которые были специально использованы в исследованиях Xenopus. Данные доступны для поиска по последовательности, символу гена и различным синонимам (которые используются в различных публикациях). Xenbase сопоставляет МО с последними геномами Xenopus в GBrowse, прогнозирует попадания «не в цель» и перечисляет всю литературу по Xenopus, в которой было опубликовано морфолино.
