תפוקה גבוהה<em> Danio rerio</em> Assay הוצאה אנרגיה
Summary
Zebrafish are an important model organism for the study of energy homeostasis. By utilizing a NADH2 sensitive redox indicator, alamar Blue, we have developed an assay that measures the metabolic rate of zebrafish larvae in a 96 well plate format and can be applied to drug or gene discovery.
Abstract
דג הזברה הוא אורגניזם מודל חשוב עם יתרונות הגלומים שיש לו את הפוטנציאל להפוך את דג הזברה מודל מיושם באופן נרחב למחקר של הומאוסטזיס אנרגיה והשמנת יתר. גדליו הקטנים של דג הזברה מאפשר למבחנים בעוברים להתנהל במתכונת צלחת 96 או 384 גם, טכנולוגיות מבוססות Morpholino וCRISPR לקדם קלות המניפולציה גנטית, וטיפול תרופתי על ידי יישום אמבטיה הוא בת קיימא. יתר על כן, דג הזברה הן אידיאלי עבור מסכי גנטיים קדימה ומאפשרים לגילוי גנים חדש. בהתחשב בחידוש היחסי של דג הזברה כמודל להשמנה, יש צורך לפתח כלים שמנצלים באופן מלא את היתרונות הללו. בזאת, אנו מתארים שיטה למדידת הוצאה אנרגטית באלפי דג הזברה העוברית בו-זמנית. פיתחנו פלטפורמת microplate בעלי החיים שלמה שבו אנו משתמשים 96-גם צלחות לבודד את הדגים בודדים ואנו מעריכים NADH 2 ייצור מצטבר באמצעות כדאיות תרבית תאים הזמינות המסחרית מחדשסוכן alamarBlue. בpoikilotherms היחסים בין NADH 2 ייצור והוצאת אנרגיה קשור בחוזקה. assay ההוצאה אנרגיה זו יוצר פוטנציאל למסך במהירות מניפולציות תרופתיות או גנטיות הישירות לשנות הוצאה אנרגיה או לשנות את התגובה לתרופה שימושית (למשל רגישות לאינסולין).
Introduction
העכבר הוא כיום המודל הדומיננטי למחקר השמנה. מרווח הדור הקצר וכלים גנטיים זמינים בעכבר היו אח ורע עד כה. עם זאת, דג הזברה יש גם מרווח קצר דור (3 – 4 חודשים) ועולה אפילו העכבר בקלות המניפולציה גנטית 1,2. דג הזברה שומרת כמעט 90% מהגנים של יונקים, ואילו עלה בהרבה על העכבר במספר הצאצאים והפוטנציאל לשימוש במסכים גנטיים וסמים 3.
כדי לנצל את הפוטנציאל של מודל דג הזברה ללימודים בהשמנה יתר, מבחני חייבים להיות מפותחים כדי לחקור גורמים המשפיעים על ויסות משקל גוף, כוללים הוצאה אנרגיה. כמעובדים מטבוליטים באמצעות β-חמצון וחמצן מחזור חומצת tricarboxylic הוא נצרך וNADH 2 מיוצר. לפיכך, NADH 2 הוא מדד ישיר לשטף של מטבוליטים דרך מסלולים מטבוליים (חמצון המטבוליט). בpoikilotherms, H + לדלוף דרך הממברנה של המיטוכונדריה הפנימית, שuncouples NADH 2 חמצון מסינתזת ATP, היא 4 – 5 פי נמוך יותר מאשר בhomeotherms 4. בהתאם לכך, בNADH דג הזברה 2 קשורים מאוד הדוק לייצור ATP באמצעות זרחון חמצוני. בזאת, אנו מתארים assay המודד NADH 2 ייצור בדג הזברה זחל כמדד להוצאת האנרגיה 5.
צריכת חמצן היא תקן הזהב למדידת הוצאות אנרגיה. ובכל זאת, כדי לנצל את פוטנציאל תפוקה הגבוה של דג הזברה הטוב ביותר, מבחני של הוצאה האנרגיה חייבים להיות נוחים לתפוקה גבוהה. מערכות צריכת חמצן שתלוי בחדר סגור במחזור המערכת מוגבלות בתפוקה במספר התאים זמינים 6. O האוויר הפתוח 2 הצריכה / CO 2 מבחני הפקה גם יושמו ב5,7 דג הזברה. בסיס צלחת אלה באוויר פתוח 96-היטבמערכות ד נוחות לתפוקה גבוהה. למרבה הצער, חילוף גזים עם הסביבה מגביל את רגישות של מבחני אלה. לאחרונה פרסמו את היישום של assay המנטר NADH 2 באמצעות מחוון חיזור alamarBlue 5. assay זה מתגבר על המגבלות בתפוקה וברגישות משותפת לניתוחים של צריכת חמצן בדג הזברה.
דג הזברה הופכת מודל חשוב יותר ויותר ללימודים של הומאוסטזיס אנרגיית גוף כולו. בחלקו, כי דג הזברה הם נוחים לשימוש במסכים גנטיים קדימה ומסכי סמים. יתר על כן, ממוקד מניפולציה גנטית, כולל מציאה ולדפוק ב, יכול להיות מיושם במהירות. הראינו בעבר כי assay זה יכול להיות משולב עם יישום תרופת אמבטיה ומציאה גנטית או נוקאאוט לזהות תרכובות וגנים שמשנים את קצב חילוף חומרים 5. יתר על כן, assay זה נועד לנצל את היתרונות הגלומים לתפוקה הגבוהה דג הזברה. </p>
Protocol
Representative Results
Discussion
זיהום בחיידקים או פטריות יגביל מאוד יישום של assay זה. מתילן הכחול במדיום עובר E3 מגביל את האפשרות של זיהום פטרייתי. לאורך עובר גידול זה קריטי, כי הטיפול נלקח כדי להסיר עוברים מתים פעמיים בכל יום. בנוסף, זה חיוני כדי לשטוף ביסודיות את העוברים עם מדיום עובר E3 סטרילי ביום הח?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank Drs. Roger Cone and Chao Zhang for their contributions to validating the application of this assay as previously published. This work was supported by NIH 1F32DK082167-01 (BJR).
Materials
| AlamarBlue | Fisher Scientific | 10-230-103 | Manufactured by Thermo Scientific |
| Fine Tip DisposableTransfer Pipette | Fisher Scientific | 13-711-26 | Manufactured by Thermo Scientific |
| Fisherbrand Graduated Disposable Transfer Pipette | Fisher Scientific | 13-771-9AM | Manufactured by Thermo Scientific |
| Black sided clear bottom 96-well plates | Fisher Scientific | 50-320-785 | Manufactured by E&K Scientific Products Inc. |
References
- Jao, L. E., Wente, S. R., Chen, W. Efficient multiplex biallelic zebrafish genome editing using a CRISPR nuclease system. PNAS. 110, 13904-13909 (2013).
- Kimura, Y., Hisano, Y., Kawahara, A., Higashijima, S. Efficient generation of knock-in transgenic zebrafish carrying reporter/driver genes by CRISPR/Cas9-mediated genome engineering. Sci. Rep. 4, 6545 (2014).
- Lieschke, G. J., Currie, P. D. Animal models of human disease: zebrafish swim into view. Nat. Rev. Genet. 8, 353-367 (2007).
- Brand, M. D., Couture, P., Else, P. L., Withers, K. W., Hulbert, A. J. Evolution of energy metabolism. Proton permeability of the inner membrane of liver mitochondria is greater in a mammal than in a reptile. Biochem. J. 275 (Pt 1), 81-86 (1991).
- Renquist, B. J., Zhang, C., Williams, S. Y., Cone, R. D. Development of an assay for high-throughput energy expenditure monitoring in the zebrafish. Zebrafish. 10, 343-352 (2013).
- Livingston, R. J. A volumetric respirometer for long-term studies of small aquatic animals. J.Mar. Biol. Assoc. U.K. 48, 485-497 (1968).
- Makky, K., Duvnjak, P., Pramanik, K., Ramchandran, R., Mayer, A. N. A whole-animal microplate assay for metabolic rate using zebrafish. J. Biomol. Screen. 13, 960-967 (2008).
- Nasiadka, A., Clark, M. D. Zebrafish breeding in the laboratory environment. ILAR J. 53, 161-168 (2012).
- Brand, M., Granato, M., Nusslein-Volhard, C., Nusslein-Volhard, C., Dahm, R. . Zebrafish, A practical approach. , (2002).
- Fry, F. E. J., Hart, J. S. Cruising speed of goldfish in relation to water temperature. J. Fish. Res. Board Can. 7, 169-175 (1948).
- Oka, T., et al. Diet-induced obesity in zebrafish shares common pathophysiological pathways with mammalian obesity. BMC physiol. 10 (21), (2010).
- Song, Y., Cone, R. D. Creation of a genetic model of obesity in a teleost. FASEB J. 21, 2042-2049 (2007).
- Maddison, L. A., Joest, K. E., Kammeyer, R. M., Chen, W. Skeletal muscle insulin resistance in zebrafish induces alterations in beta-cell number and glucose tolerance in an age and diet dependent manner. Am. J. physiol. Endocrinol. , (2015).
- Flynn, E. J., Trent , C. M., Rawls, J. F. Ontogeny and nutritional control of adipogenesis in zebrafish (Danio rerio). J. lipid res. 50, 1641-1652 (2009).
- Shimada, Y., Hirano, M., Nishimura, Y., Tanaka, T. A high-throughput fluorescence-based assay system for appetite-regulating gene and drug screening. PloS one. 7, e52549 (2012).
- Tingaud-Sequeira, A., Ouadah, N., Babin, P. J. Zebrafish obesogenic test: a tool for screening molecules that target adiposity. J. lipid res. 52, 1765-1772 (2011).
