Geburtsfehler im Zusammenhang mit Chromosomenanomalien sind oft darauf zurückzuführen, dass die Mutter schon früh im Leben Chemikalien ausgesetzt war. Aber herauszufinden, welche Chemikalien schuld sind, stellt eine ernsthafte Herausforderung dar – vergleichbar mit der Aufklärung eines Fahrerfluchtfalls Jahrzehnte nach der Tat. Zwei Forscher am UC Davis College of Biological Sciences entwickeln eine Methode, mit der schädliche Chemikalien mithilfe rot und grün leuchtender Zebrafische viel schneller identifiziert werden könnten.
Ihre Arbeit könnte Millionen von Menschen im kalifornischen Central Valley zugute kommen, die einem erhöhten Risiko ausgesetzt sind, Pestiziden ausgesetzt zu sein, weil sie in der Nähe landwirtschaftlicher Produktionsstandorte leben oder arbeiten. Die Exposition gegenüber Pestiziden kann beim Menschen sowohl akute als auch langfristige Gesundheitsprobleme verursachen, einschließlich einer Schädigung des Fortpflanzungssystems. Dieser Schaden entsteht häufig, weil Chemikalien in empfindliche Phasen der fetalen Entwicklung eingreifen, in denen sich die Zellen bilden, die eines Tages Spermien oder Eizellen produzieren werden.
Generationeneffekte finden
„Sie werden den Effekt erst sehen, wenn diese Kinder erwachsen werden und versuchen, eigene Kinder zu bekommen“, sagte Sean Burgess, Professor an der Abteilung für Molekular- und Zellbiologie. Zu diesem Zeitpunkt kann es bei Frauen zu Unfruchtbarkeit oder wiederholten Fehlgeburten kommen; Bei den Kindern, die sie gebären, besteht möglicherweise ein erhöhtes Risiko für das Down-Syndrom oder andere schwerwiegende Erkrankungen, die durch zusätzliche Chromosomenkopien verursacht werden.
Burgess arbeitet mit Bruce Draper, einem Professor in derselben Abteilung, an der Entwicklung einer Technik, die das Screening von Chemikalien erheblich beschleunigen und solche mit langfristigen Auswirkungen auf die Fortpflanzung schneller identifizieren könnte. Die Lücke zwischen der chemischen „Fahrerflucht“ und den Folgen für die Fortpflanzung beträgt oft Jahrzehnte, sagte Burgess: „Wir verkürzen diese Zeit auf praktisch nur wenige Wochen.“
Standardtests sind langsam und teuer, da sie auf Mäusen basieren, die einzeln seziert und von Technikern untersucht werden müssen, um die Auswirkungen von Chemikalien auf das Fortpflanzungsgewebe festzustellen. Burgess und Draper planen, diesen umständlichen Prozess zu umgehen, indem sie eine neu entwickelte Zebrafischart (Danio rerio) verwenden. Diese in Südasien beheimatete Süßwasserfischart ist in Heimaquarien beliebt. Es wird auch häufig als Modellorganismus zur Untersuchung der frühen Stadien der menschlichen Entwicklung verwendet.
„Siebzig Prozent der Gene im Zebrafisch haben menschliche Gegenstücke, sogenannte Orthologe“, sagte Draper. Und wenn man sich die Gene anschaut, die an der Oogenese – der Produktion weiblicher Eizellen – beteiligt sind, ist der Prozentsatz sogar noch höher.
Zebrafische eignen sich gut für die Untersuchung der reproduktiven Wirkung von Chemikalien, da ihr Geschlecht im Gegensatz zu Säugetieren nicht durch spezielle X- oder Y-Chromosomen bestimmt wird. Stattdessen wird es teilweise durch Umwelteinflüsse bestimmt. In Gefangenschaft entwickelt sich etwa die Hälfte der Fische zu Weibchen. Wenn Fischlarven jedoch Chemikalien ausgesetzt werden, die die Oogenese stören, entwickelt sich ein höherer Prozentsatz von ihnen zu Männchen. Das bedeutet, dass Wissenschaftler eine Chemikalie auf Reproduktionstoxizität testen können, indem sie ein paar Dutzend Zebrafischlarven ihr aussetzen – und dann mehrere Wochen warten, um zu sehen, ob ihr Geschlechterverhältnis zugunsten der Männchen verzerrt ist. Draper und Burgess entwickeln hierfür eine Strategie: Sie verwenden genetisch veränderte Zebrafische, die ihr Geschlecht durch Farbcodierung deutlich sichtbar machen.
Diese von Mitgliedern von Drapers Labor entwickelten Fische tragen drei genetische Veränderungen. Erstens produzieren ihre Sertoli-Zellen, die nur in der männlichen Keimdrüse vorkommen, grün fluoreszierendes Protein. Zweitens produzieren ihre Eizellen (oder unreifen Eier), die nur in der weiblichen Keimdrüse vorkommen, rot fluoreszierendes Protein. Und schließlich produzieren die Fische weniger von ihrem natürlichen Pigment, wodurch ihr Körper transparenter wird und die roten oder grünen Farben ihrer Keimdrüsen deutlicher sichtbar werden.
Zebrafische sind einfacher und kostengünstiger zu pflegen als Nagetiere. Burgess und Draper gehen davon aus, in jedem Becken 80 Fischlarven aufzuziehen und die Tiere in jedem Becken 10 bis 20 Tage nach der Befruchtung einer ausgewählten Chemikalie auszusetzen. Normalerweise müsste man bis 90 Tage nach der Befruchtung warten, um männliche und weibliche Zebrafische optisch zu unterscheiden. Aber die farblich gekennzeichneten Keimdrüsen der Fische sollten ihnen dies nach 40 Tagen ermöglichen.
„Wir sollten in der Lage sein, das Geschlecht einer Kohorte von 80 Tieren nahezu gleichzeitig zu bestimmen, indem wir einfach ein Foto machen“, sagte Draper. Wenn man einen ungewöhnlich hohen Anteil männlicher oder weiblicher Tiere oder intersexuelle Tiere sieht, deren Keimdrüsen sowohl rot als auch grün leuchten, deutet das darauf hin, dass die Chemikalie giftig für das Fortpflanzungssystem ist.
GloNad-Assay
Anfang dieses Jahres begannen Burgess und Draper mit der Entwicklung ihres „GloNad“-Assays für das Toxizitätsscreening. Die beiden hoffen, dass sie es später in diesem Jahr in einem Pilotversuch einsetzen können, um neun der in Kalifornien am häufigsten verwendeten Pestizide auf Auswirkungen auf die Fortpflanzung zu untersuchen.
Dieser erste Test könnte schließlich den Weg für eine breitere Verwendung des GloNad-Assays ebnen. Dem Bundesstaat Kalifornien sind derzeit 90 Pestizide bekannt, die Geburtsfehler oder Fortpflanzungsschäden verursachen. Diese Toxizitäten könnten jedoch möglicherweise mit einer breiteren Palette von Pestiziden und anderen Chemikalien wie Bisphenolen in Verbindung gebracht werden, die bei der Herstellung einiger Kunststoffe verwendet werden.
Die wahre Stärke des GloNad-Assays besteht darin, dass er erweitert werden könnte, um viel mehr Chemikalien zu testen, als derzeit möglich sind. Und jede dieser Chemikalien könnte an einer großen Anzahl von Fischen getestet werden, wodurch selbst seltene Auswirkungen auf die Fortpflanzung festgestellt werden könnten.
„Es ist viel effizienter als alles andere, was es derzeit gibt“, sagte Draper. „Wir haben große Erwartungen, dass das klappt.“