Um modelo Zebrafish de Diabetes Mellitus e Memória Metabólica

Summary

Memória metabólica é o fenômeno pelo qual complicações diabéticas persistir e progredir sem obstáculos, mesmo depois de euglicemia é alcançado farmacêutico. Descrevemos aqui um modelo de diabetes mellitus do peixe-zebra que é único na medida em que permite que o exame dos componentes mitoticamente transmissíveis epigenéticos de memória metabólica<em> In vivo</em>.

Abstract

Diabetes mellitus afeta atualmente 346 milhões pessoas e isso deverá aumentar para 400 milhões até 2030. Evidências de laboratório que larga escala ensaios clínicos revelou que o progresso complicações diabéticas desimpedida através do fenômeno da memória metabólica, mesmo quando o controle glicêmico é farmaceuticamente alcançado. A expressão do gene pode ser alterada através de alterações de forma estável epigenéticas que não só permitem que as células e organismos de responder rapidamente a mudanças de estímulos ambientais, mas também conferem a capacidade da célula para "memorizar" estes encontra quando o estímulo é removido. Como tal, os papéis de que estes mecanismos desempenham no fenómeno de memória metabólica estão actualmente a ser examinada.

Temos recentemente relataram o desenvolvimento de um modelo de peixe-zebra de tipo I diabetes mellitus e caracterizado este modelo para mostrar que zebrafish diabético não apenas exibem as complicações secundárias conhecidas, incluindo as alterações associadascom retinopatia diabética, nefropatia diabética e a cicatrização de feridas prejudicada, mas também exibem regeneração da barbatana caudal prejudicada. Este modelo é único na medida em que o peixe-zebra é capaz de regenerar o seu pâncreas danificado e restaurar um estado euglicémico semelhante ao que seria de esperar na pós-transplante de pacientes humanos. Além disso, múltiplos ciclos de amputação barbatana caudal permite a separação e estudo dos efeitos epigenéticos puros em um sistema in vivo sem potenciais factores de complicação do estado diabético anterior. Embora euglicemia é alcançada após a regeneração pancreática, a complicação diabética secundário de regeneração e cicatrização de feridas fin pele persistir indefinidamente. No caso de regeneração da barbatana prejudicada, esta patologia é mantida mesmo após vários ciclos de regeneração da barbatana nos tecidos aleta filha. Estas observações apontam para um processo subjacente epigenética existentes na memória de estado metabólico. Aqui apresentamos os métodos necessários para o sucesso gengerar a grupos de diabéticos e de memória metabólica de peixes e discutir as vantagens deste modelo.

Introduction

O diabetes mellitus (DM) é um problema de saúde sério e crescente que resulta em expectativa de vida reduzida devido a doença específica microvascular (retinopatia, nefropatia, neuropatia, cicatrização deficiente) e macrovasculares (doença cardíaca e acidente vascular cerebral) complicações ^1. Uma vez iniciado, complicações diabéticas continuar a progredir ininterrupto mesmo quando o controle glicêmico ^2,3 e este fenômeno foi denominado de memória metabólica ou o efeito legado. A presença deste fenômeno foi reconhecido clinicamente durante o início de 1990 como o "A Diabetes Controle e Julgamento Complicações (DCCT)" progrediu e desde então tem sido apoiada por vários estudos clínicos adicionais ^{4,5,6,7,8,9,10, 11,12,13,14.} Modelos animais de DM têm sido fundamentais para descobertas relacionadas com a fisiopatologia das complicações da diabetes e da memória metabólica. De facto, a persistência de complicações diabéticas foi documentada em um modelo canino de diabetesretinopatia que desde então foi suportada por várias linhas de evidência experimental utilizando uma variedade de sistemas de cultura in vitro e em modelos animais ^{15,16,17,18,19,20,21.} Estes estudos mostram claramente que o resultado é uma hiperglicêmicos período inicial em anormalidades permanentes (incluindo a expressão génica aberrante) de órgãos / células-alvo e mecanisticamente sugere o envolvimento do epigenoma.

Epigenomas engloba todas as modificações da cromatina para um determinado tipo celular e são responsáveis ​​pelo perfil único de uma célula de expressão de genes. As modificações cromossómicas são dinâmicos durante o desenvolvimento de diferenciação celular, o apoio, são sensíveis a estímulos externos, são mitoticamente estavelmente herdada ^22,23 e podem ser alterados na doença ^24,25,26. Estes mecanismos epigenéticos incluem: postar translacionais modificações de histonas, não-canônico de inclusão variante das histonas em octomers, mudanças de acesso cromatina por metilação do DNA e de genescontrole de expressão através de RNAs não-codificadores micro ^27,28,29,30. Ao todo, processos epigenéticos permitir que as células / organismos para responder rapidamente às mudanças estímulos ambientais ^31,32,33, eles também conferem a capacidade da célula para "decorar" esses encontros uma vez que o estímulo é removido ^23,22. Assim, tal como os perfis de expressão de genes alterados resultantes de processos epigenéticos são estáveis ​​na ausência do sinal (s) que iniciou a eles e são hereditárias através da divisão celular, eles adquiriram grande interesse como subjacente mecanismos moleculares de patologias humanas, incluindo a memória metabólica. Os resultados que surgem no contexto de DM e epigenética avanços paralelos em outras doenças em que uma multiplicidade de mudanças epigenéticas induzidas pela hiperglicemia causam mudanças notáveis ​​persistentes em redes de transcrição de células (revisto em ^{34,35,36,37,38).}

O peixe-zebra tem sido um organismo modelo premier para estudantesdy desenvolvimento de vertebrados no entanto nos últimos 15 anos tem visto um crescimento exponencial na utilização deste organismo para o estudo de doenças humanas. ^39. Zebrafish modelos de doenças humanas foram estabelecidas abrangendo uma vasta gama de patologias humanas, incluindo as doenças genéticas e doenças adquiridas ^40,41,42. As muitas vantagens do peixe-zebra sobre organismos modelo incluem outros vertebrados alta fecundidade, tempo de geração curto, transparência através da idade adulta, os custos da habitação reduzidas e um conjunto de ferramentas para manipulação genética. Além disso, devido à conservação extensa de vias genéticas e da fisiologia celular entre os vertebrados e a capacidade para realizar rastreios de elevada capacidade de droga, o peixe-zebra foi usada com sucesso para a descoberta farmacêutica.

Nós desenvolvemos um modelo zebrafish adulto de diabetes mellitus do tipo I, utilizando o fármaco diabetogénico, estreptozocina. Temos caracteriza este modelo para mostrar que zebrafish diabético nãot exibir apenas os humanos conhecidos complicações secundárias mas, além disso, apresentam a regeneração de membros prejudicada (regeneração da nadadeira caudal) como consequência do ambiente hiperglicêmico. Além disso, relataram que zebrafish hiperglicêmico voltar a glicemia normal dentro de 2 semanas da retirada do fármaco, devido à regeneração de células pancreáticas beta endógenos, resultando em um estado glicêmico fisiologicamente normal. No entanto, em contraste, a regeneração de membros destes peixes permanece prejudicada na mesma extensão como no estado diabético aguda, indicando esta complicação persiste e é susceptível à memória metabólica. O principal ímpeto para gerar este modelo foi o de fornecer um sistema para estudar os componentes mitóticos estáveis ​​epigenéticas que suportam o fenómeno de memória metabólica na ausência de ruído de fundo do ambiente hiperglicêmico anterior. Na conclusão do protocolo fornecido aqui os tecidos e peixe-zebra ou selectivos podem ser processadas por qualquer ensaio adequado para a Researchers precisa. Temos utilizado com sucesso este procedimento para identificar as alterações do genoma persistentes na metilação do DNA induzidos pela hiperglicemia que são mantidos no estado de memória metabólica ^21.

Nós sentimos que este modelo de zebrafish de diabetes mellitus tipo I tem várias vantagens em relação aos sistemas inovadores outro modelo para o exame de memória metabólica. 1) Todos os nossos estudos podem ser realizados in vivo e como o peixe hiperglicémica anterior voltar a euglicemia pela regeneração da produção endógena de insulina, que não requerem injecções de insulina exógena. Portanto, o que evita os picos e vales de complicação no controlo da glicemia que podem ocorrer em animais que requerem insulina exógena. 2) Como descrito acima, a estimulação de fundo a partir do estado diabético anterior (isto é, a presença continuada de glicação avançada produtos finais e os marcadores de espécies reactivas de oxigénio) são eliminadas e, por conseguinte, pode-se examinar o puramente epigfactores enetic de memória metabólica. 3) Os ensaios podem ser realizados rapidamente, uma vez que demora aproximadamente 80 dias a partir da indução da diabetes até serem analisadas memória metabólica. 4) Caudal regeneração da barbatana é experimentalmente muito acessível e permite a manipulação genética e experimental fácil para o qual há uma grande variedade de ferramentas. 5) Caudal fin regeneração proporciona um método muito simples e quantificáveis ​​para avaliar memória metabólica e portanto vai permitir a descoberta de medicamentos futuro.

Protocol

Todos os procedimentos são realizados seguindo as orientações descritas em "Princípios de Laboratório Animal Care" (Institutos Nacionais de Saúde não publicação. 85-23, revisado 1985) e aprovado Rosalind Franklin University Animal Care Institucional e uso de animais protocolo do Comitê 08-19. Existem duas abreviaturas importantes que são utilizadas neste manuscrito. 1) DM: refere-se a peixe, que estão em estado de hiperglicemia aguda (300 mg / dl), e têm, pelo menos, 3…

Representative Results

Tipo I zebrafish diabético não apenas exibem as complicações secundárias conhecidas de retinopatia e nefropatia, mas também, exibem uma complicação adicional: regeneração da barbatana caudal prejudicada. Esta complicação tardia persiste devido à memória metabólica em peixes que restaurou o controle da glicose normal após um período hiperglicêmicos. Na Figura 2A (controle) e Figura 2B (memória metabólica) Imagens representativas de aletas em regeneração que foram ca…

Discussion

A diabetes mellitus é uma doença metabólica de desregulação, inicialmente diagnosticada como hiperglicemia, que, finalmente, resulta em danos nos vasos sanguíneos conduz a muitas complicações que persistem mesmo depois de todos euglicemia é alcançado embora intervenção farmacêutica. Esta persistência de complicações é referido como memória metabólica e vários estudos recentes têm examinado o papel que desempenham nos mecanismos epigenéticos este fenómeno. Aqui temos um protocolo detalhado que perm…

Materials

Name of the reagent	Company	Catalogue number	Comments (optional)
Streptozocin	Sigma Aldrich	S0130
2 phenoxyethanol	Sigma Aldrich	P1126
Scalpel (size 10)	Fisher Scientific	089275A
Petri Dishes	Fisher Scientific	08-757-13
½ cc syringe, with 27 1/2 gauge needle	Fisher Scientific	305620
QuantiChrome glucose assay kit.	Bioassay Systems	DIGL-100
Sodium Chloride	Sigma Aldrich	S3014
Dissecting Microscope	Nikon	TMZ-1500	Any dissecting microscope is fine.
Camera for Imaging	Nikon	Q imaging	Any camera is suitable.
Image J software	National Institutes of Health	NIH Image
NIS Elements	Nikon		Any imaging software is suitable.