Zebrafish as a Model for Human Genetic and Infectious Diseases

Abstract

Yhteisen evoluutiohistoriamme vuoksi osa ihmisen geeneistä voidaan tunnistaa meille läheisistä sukua olevissa eläimissä. Jaamme suuren osan perimästämme simpanssin (<i>Pan troglodytes</i>) ja hiiren (<i>Mus musculus</i>), mutta kenties yllättäen myös seeprakalan (<i>Danio rerio</i>) kanssa. Huolimatta sen vedenalaiseen elämään sopivista piirteistä, osa seeprakalan geeneistä, fysiologiasta ja mikropatologiasta muistuttavat ihmisen vastaavia ominaisuuksia. Sukulaislajien biologinen vastaavuus mahdollistaa oman biologiamme mallintamisen jopa hyvin alkukantaisina pidetyissä lajeissa, ja on olennainen osa lääketieteellistä tutkimusta. Joissain tapauksissa voimme näet hyödyntää jopa hyvin kaukaista sukulaislajia, kunhan voimme osoittaa tutkimamme geenin tai signalointireitin vastaavuuden lajien välillä. Tässä väitöstutkimuksessa olemme käyttäneet seeprakalaa mallina ihmisen geneettisessä tutkimuksessa neljässä projektissa, jotka keskittyvät kehitysbiologiseen genetiikkaan ja tautigenetiikkaan.

Näissä projekteissa olemme hyödyntäneet geenihiljennystä ja mutageneesiä seeprakalan geenien tutkimisessa. Ensimmäisessä tutkimuksessa pyrimme selvittämään CRISPR-Cas9 (clustered regularly interspaces short palindromic repeats, CRISPR associated 9) mutageneesin tehokkuudessa havaitsemiemme erojen perimmäistä syytä. Havaitsimme tutkimuksessamme eroja mutageneesin <i>in vivo</i>- ja <i>in vitro</i> -tehokkuudessa geenien välillä seeprakalan poikasessa. Päättelimme, että tämä saattaisi johtua DNA:n erilaisesta pakkausmekanismeista <i>in vivo</i>. Emme kuitenkaan havainneet merkittävää korrelaatiota epigeneettisten tekijöiden ja CRISPR-Cas9 mutageneesin tehokkuuden välillä. Tuloksemme kuitenkin osoittivat, että mutageneesin tehokkuudessa <i>in vivo</i> ja <i>in vitro</i> havaitut erot ovat geenikohtaisia, joten havaitut erot voivat osin johtua DNA:n pakkausmekanismeista.

Toisessa projektissa mallinsimme seeprakalassa ihmisessä hiljattain tunnistettua geneettistä FINCA-sairautta (engl. fibrosis, neurodegeneration and cerebral angiomatosis). FINCA ilmenee varhaislapsuudessa ja johtaa potilaan kuolemaan ennen kahden vuoden ikää. Sairauden syyksi on tunnistettu mutaatio geenissä nimeltä NHLRC2. Hiiressä mutaatiot vastaavassa geenissä johtavat elinkyvyttömyyteen varhaisissa kehitysvaiheissa, minkä vuoksi hiiri ei sovellu sairauden mallintamiseen. Vastaavan <i>nhlrc2</i> geenin hiljennys seeprakalassa johti kalanpoikasissa muutoksiin keskiaivojen solukossa. Tuloksen perusteella seeprakalamallissa havaitut muutokset vastaavat osin potilaissa havaittuja muutoksia. Tuloksemme osaltaan vahvistavat, että mutaatiot NHLRC2 geenissä aiheuttavat FINCA-sairauden.

Samaa hiljennysmenetelmää käyttäen tutkimme myös <i>intelectin 1</i>-geenin merkitystä kaloissa, joiden <i>intelectin 3</i>-geeni oli mutatoitu toimimattomaksi. Intelektiinit ovat proteiineja, jotka osallistuvat bakteerien tunnistukseen elimistössä. Havaitsimme matalalla annoksella infektoiduissa kaloissa intelectin3-geenin ilmentymistason olevan merkittävästi koholla. Emme kuitenkaan havainneet muutoksia <i>intelectin3</i> poistogeenisissä seeprakaloissa. Päättelimme, että samanlaisen ilmentymiskinetiikkansa vuoksi <i>intelectin1</i> voisi kompensoida <i>intelectin3</i> puuttumista mutatoiduissa kaloissa ja näin estää mutaation aiheuttamien muutoksen havaitsemisen. <i>intelectin1</i>-geenin hiljentäminen mutatoiduissa kaloissa ei kuitenkaan johtanut havaittaviin muutoksiin seeprakalan poikasissa tehdyssä infektiokokeessa.

Viimeisessä projektissa tutkimme <i>pycard</i>-geenin merkitystä mykobakteeri- infektiossa. <i>pycard</i> koodaa proteiinia, joka toimii osana inflammasomikompleksia, minkä on havaittu osallistuvan hankinnaisen immuunivasteen säätelyyn. CRISPR- Cas9 -menetelmällä tuotetuissa poistogeenisissä kaloissa havaittiin heikennyt vaste selviämiskokeissa. Tämän lisäksi poistogeenisillä kaloilla havaittiin suurempi bakteerimäärä elimistössä ja niissä ilmenneet granuloomat olivat suurempia. RNA- sekvensoinnin avulla osoitimme kalan puolustussolujen geenien ilmentymisessä useita muutoksia, joiden perusteella kaloilla on muuttunut vaste mykobakteeri- infektiolle.

Projekteissa hyödynsimme monipuolisesti seeprakalaa ihmisen tautimallinnuksessa. Intelektiinien ja <i>nhlrc2</i>-geenin tutkimuksessa geenihiljennyksellä saatiin aikaan transkriptin lähes täydellinen eliminointi, vaikka intelektiinien kohdalla tämä ei johtanutkaan fenotyypissä havaittaviin muutoksiin. Inflammasomin <i>pycard</i>- geenin mutatoinnilla saatiin aikaan malli, jonka avulla voimme hahmottaa yhä tarkemmin geenin merkitystä mykobakteerin aiheuttamassa infektiossa. Tuloksemme ovat osoitus seeprakalan soveltuvuudesta ihmisen genetiikan tutkimuksessa.

Due to our shared evolution, humans share parts of their genetics with related animals. We share most of our genes with the chimpanzee (<i>Pan troglodytes</i>) and with mouse (<i>Mus musculus</i>), but perhaps surprisingly also with zebrafish (<i>Danio rerio</i>). Despite its aquatic lifestyle and fishy looks, zebrafish shares most of its genes and several parts of its physiology and micropathology with human. These biological similarities of related species are invaluable for medicine, as they allow us to study our own biology through evolutionary homology in even species which are considered very primitive in phylogenetic terms. The selection of a model species should be based on ethics as well as the question at hand. In some cases, we can use a very distant species, provided that we can show the conservation of the gene or pathway biology between us and the model organism. In this thesis we have used zebrafish as a model for human genetics in four projects with focus on developmental and disease genetics.

In each project, we employed gene silencing or mutagenesis to study zebrafish genes. In our first project, we set out to study the differences observed in the efficiency of the CRISPR-Cas9 (clustered regularly interspaces short palindromic repeats, CRISPR associated 9) mutagenesis system. We observed differences between <i>in vitro</i> and <i>in vivo</i> efficiencies of mutagenesis between genes in larval zebrafish. This led us to consider if the efficiency of mutagenesis was determined by DNA packaging <i>in vivo</i>. Our results did not reveal strong correlation between epigenetic factors and CRISRP-Cas9 efficiency. However, our results indicate mutagenesis functions differently between genes independent of <i>in vitro</i> functionality, suggesting an influence from DNA packaging.

In the second project, we generated a zebrafish model for a newly identified human genetic disease, FINCA (fibrosis, neurodegeneration and cerebral angiomatosis). FINCA manifests in early childhood and leads to death of affected children before the age of two and is a result of a mutation in a gene NHLRC2. Mutations in mouse <i>Nhlrc2</i> lead to early lethality, which significantly hampers its applicability in studying FINCA. Silencing of <i>nhlrc2</i> in zebrafish lead to alterations in integrity of brain cells in zebrafish larvae based on the analysis of TEM images in comparison to controls, suggesting it replicates some parts of the phenotype of the patients. Our results support notion that the loss of NHLRC2 is the cause of the FINCA disease.

With the same gene silencing technology, we analysed the effect of <i>intelectin 1</i> gene on <i>intelectin 3</i> mutated zebrafish. Intelectins are a family of proteins involved in recognition of bacteria in cells. Primarily, <i>intelectin 3</i> was found to be upregulated in mycobacterial infection in our microarray data of adult zebrafish. We failed to see a phenotype in <i>intelectin 3 </i>mutated zebrafish, which lead us to consider if <i>intelectin 1</i>, due to similar expression kinetics, could be compensating for its loss, masking the phenotype of the mutants. However, simultaneous silencing and knockout of <i>intelectin 1</i> and <i>intelectin 3</i>, respectively, did not result in a phenotype in larval zebrafish in mycobacterial infection.

In the last project we set out to determine the role of the gene <i>pycard</i> in mycobacterial infection. <i>pycard</i> codes an adaptor protein of the inflammasome complex, which has also been indicated to play a role in adaptive immune response. Results showed that CRISPR-Cas9 generated <i>pycard</i> knockout zebrafish present decreased survival in mycobacterial infection. In addition, they present alteration in bacterial burden and granuloma size. RNA-sequencing analysis of the kidney transcriptome of the fish suggest multiple changes in transcription, which makes the knockout fish susceptible to mycobacterial infection. Our model suggests inflammasome signalling has a central role in orchestrating host’s defence and neutrophil function during mycobacterial infection.

In these projects we explored the versatile applications of zebrafish in modelling human diseases. With the study of intelectins and <i>nhlrc2</i>, gene silencing led to near total elimination of the transcript, even though with intelectins this did not cause detectable changes in the phenotype. With mutagenesis of inflammasome adaptor gene <i>pycard</i>, we were able to generate a model suitable for generating a detailed understanding on its function in mycobacterial infection. Our results demonstrate the utility of the zebrafish in modelling human genetics.