Xenopo

Xenopus () (gr., ξενος, xenos=extraño, πους, pous=pie, comúnmente conocida como la rana con garras) es un género de ranas muy acuáticas nativas del África subsahariana. En él se describen actualmente veinte especies. Las dos especies más conocidas de este género son Xenopus laevis y Xenopus tropicalis, que se estudian comúnmente como organismos modelo para biología del desarrollo, biología celular, toxicología, neurociencia y para modelado. enfermedades humanas y defectos de nacimiento.

El género también es conocido por su poliploidía, y algunas especies tienen hasta 12 juegos de cromosomas.

Características

Xenopus laevis es una criatura bastante inactiva. Es increíblemente resistente y puede vivir hasta 15 años. A veces, los estanques en los que se encuentra Xenopus laevis se secan, obligándolo, en la estación seca, a excavar en el barro, dejando un túnel para el aire. Puede permanecer inactivo hasta por un año. Si el estanque se seca en la temporada de lluvias, Xenopus laevis puede migrar largas distancias a otro estanque, manteniéndose hidratado por las lluvias. Es un nadador experto, nadando en todas direcciones con facilidad. Apenas puede saltar, pero puede gatear. Pasa la mayor parte del tiempo bajo el agua y sale a la superficie para respirar. La respiración es predominantemente a través de sus pulmones bien desarrollados; hay poca respiración cutánea.

Descripción

Todas las especies de Xenopus tienen cuerpos aplanados, en forma de huevo y aerodinámicos, y una piel muy resbaladiza (debido a una capa protectora de moco). La piel de la rana es suave, pero con un órgano sensorial en la línea lateral que tiene una apariencia de puntada. Todas las ranas son excelentes nadadoras y tienen dedos de los pies poderosos y completamente palmeados, aunque los dedos carecen de membranas. Tres de los dedos de cada pie tienen llamativas garras negras.

Los ojos de la rana están en la parte superior de la cabeza, mirando hacia arriba. Las pupilas son circulares. No tienen párpados móviles, lenguas (más bien están completamente adheridos al piso de la boca) o tímpanos (de manera similar a Pipa pipa, el sapo común de Surinam).

A diferencia de la mayoría de los anfibios, no tienen haptoglobina en la sangre.

Comportamiento

Las especies de

Xenopus son enteramente acuáticas, aunque se han observado migrando por tierra a masas de agua cercanas durante épocas de sequía o lluvia intensa. Por lo general, se encuentran en lagos, ríos, pantanos, baches en arroyos y embalses artificiales.

Las ranas adultas suelen ser depredadoras y carroñeras, y dado que sus lenguas no se pueden usar, las ranas usan sus pequeñas extremidades delanteras para ayudarse en el proceso de alimentación. Dado que también carecen de sacos vocales, emiten clics (pulsos breves de sonido) bajo el agua (de nuevo similar a Pipa pipa). Los machos establecen una jerarquía de dominación social en la que principalmente un macho tiene derecho a realizar la llamada publicitaria. Las hembras de muchas especies emiten un canto de liberación, y las hembras de Xenopus laevis producen un canto adicional cuando están sexualmente receptivas y pronto a poner huevos. Las especies Xenopus también están activas durante las horas crepusculares (o crepusculares).

Durante la temporada de reproducción, los machos desarrollan almohadillas nupciales en forma de cresta (de color negro) en los dedos para ayudar a agarrar a la hembra. Las ranas' el abrazo de apareamiento es inguinal, lo que significa que el macho agarra a la hembra por la cintura.

Especies

Especies existentes

Especies fósiles

Se han descrito las siguientes especies fósiles:

• †Xenopus arabiensis Henrici y Báez 2001 - Oligocene Yemen Volcanic Group, Yemen
• †Xenopus hasaunus Spinar 1980
• †Xenopus romeri Estes 1975 - Formación Itaboraiana Itaboraí, Brasil
• †Xenopus stromeri Ahl 1926
• cf. Xenopus sp. - Campanian - Formación Los Alamitos, Argentina
• Xenopus (Xenopus) sp. - Formación tardía de Oligocene Nsungwe, Tanzania
• Xenopus sp. - Miocene Morocco
• Xenopus sp. - Formación de Olduvai, Tanzania

Organismo modelo para la investigación biológica

Al igual que muchas otras ranas, a menudo se utilizan en el laboratorio como sujetos de investigación. Los embriones y óvulos de Xenopus son un sistema modelo popular para una amplia variedad de estudios biológicos. Este animal se utiliza debido a su poderosa combinación de manejabilidad experimental y estrecha relación evolutiva con los humanos, al menos en comparación con muchos organismos modelo.

Xenopus ha sido durante mucho tiempo una herramienta importante para los estudios in vivo en biología molecular, celular y del desarrollo de animales vertebrados. Sin embargo, la gran amplitud de la investigación de Xenopus surge del hecho adicional de que los extractos libres de células elaborados a partir de Xenopus son un sistema in vitrode primer nivel para estudios de aspectos fundamentales de la biología celular y molecular. Por lo tanto, Xenopus es un sistema modelo de vertebrados que permite análisis in vivo de alto rendimiento de la función génica y bioquímica de alto rendimiento. Además, los ovocitos de Xenopus son un sistema líder para estudios de transporte de iones y fisiología de canales. Xenopus es también un sistema único para el análisis de la evolución del genoma y la duplicación del genoma completo en vertebrados, ya que diferentes especies de Xenopus forman una serie de ploidía formada por hibridación interespecífica.

En 1931, Lancelot Hogben observó que las hembras de Xenopus laevis ovulaban cuando se les inyectaba la orina de mujeres embarazadas. Esto condujo a una prueba de embarazo que luego fue refinada por los investigadores sudafricanos Hillel Abbe Shapiro y Harry Zwarenstein. Una rana Xenopus hembra inyectada con orina de mujer se colocó en un frasco con un poco de agua. Si los huevos estaban en el agua un día después, significaba que la mujer estaba embarazada. Cuatro años después de la primera prueba de Xenopus, el colega de Zwarenstein, el Dr. Louis Bosman, informó que la prueba era precisa en más del 99 % de los casos. Desde la década de 1930 hasta la década de 1950, se exportaron miles de ranas a todo el mundo para usarlas en estas pruebas de embarazo.

El Recurso Nacional de Xenopus del Laboratorio de Biología Marina es un depósito in vivo de cepas transgénicas y mutantes y un centro de formación.

Base de datos de organismos modelo en línea

Xenbase es la base de datos de organismos modelo (MOD) tanto para Xenopus laevis como para Xenopus tropicalis.

Investigación de genes de enfermedades humanas

Todos los modos de investigación de Xenopus (embriones, extractos libres de células y ovocitos) se usan comúnmente en estudios directos de genes de enfermedades humanas y para estudiar la ciencia básica que subyace al inicio y la progresión del cáncer. Embriones de Xenopus para estudios in vivo de la función de genes de enfermedades humanas: Los embriones de Xenopus son grandes y fáciles de manipular y, además, se pueden obtener miles de embriones en un solo dia. De hecho, Xenopus fue el primer animal vertebrado para el que se desarrollaron métodos que permitían un análisis rápido de la función génica mediante la expresión errónea (mediante inyección de ARNm). Inyección de ARNm en Xenopus que condujo a la clonación de interferón. Además, el uso de oligonucleótidos antisentido de morfolino para la eliminación de genes en embriones de vertebrados, que ahora se usa ampliamente, fue desarrollado por primera vez por Janet Heasman usando Xenopus.

En los últimos años, estos enfoques han jugado un papel importante en los estudios de genes de enfermedades humanas. El mecanismo de acción de varios genes mutados en los trastornos renales quísticos humanos (p. ej., nefronoptisis) se ha estudiado ampliamente en embriones de Xenopus, arrojando nueva luz sobre el vínculo entre estos trastornos, la ciliogénesis y la señalización de Wnt. Los embriones de Xenopus también han proporcionado un banco de pruebas rápido para validar genes de enfermedades recién descubiertos. Por ejemplo, los estudios en Xenopus confirmaron y dilucidaron el papel de PYCR1 en cutis laxa con características progeroides.

Xenopus transgénico para estudiar la regulación transcripcional de genes de enfermedades humanas: los embriones de Xenopus se desarrollan rápidamente, por lo que la transgénesis en Xenopus es un método rápido y eficaz para analizar secuencias reguladoras genómicas. En un estudio reciente, se reveló que las mutaciones en el locus SMAD7 se asocian con el cáncer colorrectal humano. Las mutaciones se encuentran en secuencias conservadas, pero no codificantes, lo que sugiere que estas mutaciones afectaron los patrones de transcripción de SMAD7. Para probar esta hipótesis, los autores utilizaron la transgénesis de Xenopus y revelaron que esta región genómica impulsaba la expresión de GFP en el intestino posterior. Además, los transgénicos elaborados con la versión mutante de esta región mostraron una expresión sustancialmente menor en el intestino posterior.

Extractos libres de células de Xenopus para estudios bioquímicos de proteínas codificadas por genes de enfermedades humanas: una ventaja única del sistema Xenopus es que los extractos citosólicos contienen tanto citoplasma soluble como nuclear. proteínas (incluidas las proteínas de la cromatina). Esto contrasta con los extractos celulares preparados a partir de células somáticas con compartimentos celulares ya distintos. Los extractos de óvulos de Xenopus han proporcionado numerosos conocimientos sobre la biología básica de las células con un impacto particular en la división celular y las transacciones de ADN asociadas con ella (ver más abajo).

Los estudios en extractos de huevos de Xenopus también han arrojado información crítica sobre el mecanismo de acción de los genes de enfermedades humanas asociadas con la inestabilidad genética y el riesgo elevado de cáncer, como la ataxia telangiectasia, BRCA1 cáncer de mama y de ovario hereditario, Nbs1 síndrome de rotura de Nijmegen, RecQL4 síndrome de Rothmund-Thomson, c-Myc oncogén y proteínas FANC (anemia de Fanconi).

Ovocitos de Xenopus para estudios de expresión génica y actividad de canales relacionados con enfermedades humanas: Otro punto fuerte de Xenopus es la capacidad de analizar rápida y fácilmente la actividad de canales y proteínas transportadoras utilizando expresión en ovocitos. Esta aplicación también ha dado lugar a importantes conocimientos sobre enfermedades humanas, incluidos estudios relacionados con la transmisión de tripanosomas, epilepsia con ataxia y sordera neurosensorial, arritmia cardíaca catastrófica (síndrome de QT largo) y leucoencefalopatía megaloencefálica.

La edición de genes mediante el sistema CRISPR/CAS se ha demostrado recientemente en Xenopus tropicalis y Xenopus laevis. Esta técnica se está utilizando para detectar los efectos de los genes de enfermedades humanas en Xenopus y el sistema es suficientemente eficiente para estudiar los efectos dentro de los mismos embriones que han sido manipulados.

Investigación de procesos biológicos fundamentales

Transducción de señales: los embriones de Xenopus y los extractos libres de células se utilizan ampliamente para la investigación básica en la transducción de señales. En los últimos años, los embriones de Xenopus han proporcionado conocimientos cruciales sobre los mecanismos de transducción de señales de TGF-beta y Wnt. Por ejemplo, se usaron embriones de Xenopus para identificar las enzimas que controlan la ubiquitinación de Smad4 y para demostrar vínculos directos entre las vías de señalización de la superfamilia TGF-beta y otras redes importantes, como la vía MAP quinasa y la Wnt. ruta. Además, los nuevos métodos que utilizan extractos de huevo revelaron objetivos nuevos e importantes del complejo de destrucción Wnt/GSK3.

División celular: los extractos de huevos de Xenopus han permitido el estudio de muchos eventos celulares complicados in vitro. Debido a que el citosol del huevo puede soportar ciclos sucesivos entre la mitosis y la interfase in vitro, ha sido fundamental para diversos estudios de división celular. Por ejemplo, se descubrió por primera vez que la pequeña GTPasa Ran regulaba el transporte nuclear en interfase, pero los extractos de huevo de Xenopus revelaron el papel fundamental de Ran GTPasa en la mitosis, independientemente de su papel en el transporte nuclear en interfase. De manera similar, los extractos libres de células se usaron para modelar el ensamblaje de la envoltura nuclear a partir de la cromatina, lo que reveló la función de RanGTPase en la regulación del reensamblaje de la envoltura nuclear después de la mitosis. Más recientemente, utilizando extractos de huevo de Xenopus, fue posible demostrar la función específica de la mitosis de la lámina nuclear B en la regulación de la morfogénesis del huso e identificar nuevas proteínas que median la unión del cinetocoro a los microtúbulos. Los sistemas libres de células se han convertido recientemente en herramientas prácticas de investigación, y los ovocitos de Xenopus son a menudo la fuente de los extractos utilizados. Esto ha producido resultados significativos en la comprensión de la oscilación mitótica y los microtúbulos.

Desarrollo embrionario: los embriones de Xenopus se utilizan ampliamente en la biología del desarrollo. Un resumen de los avances recientes realizados por la investigación de Xenopus en los últimos años incluiría:

1. Epigenética de la especificación del destino celular y mapas de referencia epigenóme
2. microRNA en el modelado de la capa germinal y desarrollo de los ojos
3. Enlace entre Wnt señalización y telomerasa
4. Desarrollo de la vasculatura
5. Morfogenesis
6. Inhibición de contacto y migración de células de cresta neural y generación de cresta neural de células de blastula pluripotente
7. Destino del desarrollo - Función del Notch: Dorsky et al 1995 elucidated a pattern of expression followed by downregulation

Replicación del ADN: los extractos libres de células de Xenopus también favorecen el ensamblaje sincrónico y la activación de los orígenes de la replicación del ADN. Han sido fundamentales para caracterizar la función bioquímica del complejo prereplicativo, incluidas las proteínas MCM.

Respuesta al daño del ADN: los extractos libres de células han sido fundamentales para desentrañar las vías de señalización activadas en respuesta a roturas de doble cadena de ADN (ATM), estancamiento de la horquilla de replicación (ATR) o enlaces cruzados entre cadenas de ADN (proteínas FA y ATR). En particular, varios mecanismos y componentes de estas vías de transducción de señales se identificaron por primera vez en Xenopus.

Apoptosis: los ovocitos de Xenopus proporcionan un modelo manejable para los estudios bioquímicos de la apoptosis. Recientemente, los ovocitos se utilizaron recientemente para estudiar los mecanismos bioquímicos de activación de caspasa-2; lo que es más importante, este mecanismo resulta estar conservado en los mamíferos.

Medicina regenerativa: en los últimos años, la promesa de la medicina regenerativa ha despertado un enorme interés en la biología del desarrollo. Xenopus también ha jugado un papel aquí. Por ejemplo, la expresión de siete factores de transcripción en células pluripotentes de Xenopus hizo que esas células fueran capaces de convertirse en ojos funcionales cuando se implantaron en embriones de Xenopus, proporcionando información potencial sobre la reparación de la degeneración de la retina. o daño. En un estudio muy diferente, se utilizaron embriones de Xenopus para estudiar los efectos de la tensión del tejido en la morfogénesis, un tema que será fundamental para la ingeniería de tejidos in vitro. Las especies de Xenopus son organismos modelo importantes para el estudio de la regeneración de la médula espinal, ya que, si bien son capaces de regenerarse en sus etapas larvales, Xenopus pierden esta capacidad en la metamorfosis temprana.

Fisiología: el latido direccional de las células multiciliadas es esencial para el desarrollo y la homeostasis en el sistema nervioso central, las vías respiratorias y el oviducto. Las células multiciliadas de la epidermis de Xenopus se han desarrollado recientemente como el primer banco de pruebas in vivo para estudios de células vivas de dichos tejidos ciliados, y estos estudios han proporcionado información importante en el control biomecánico y molecular del latido direccional.

Actina: otro resultado de los extractos de ovocitos de Xenopus libres de células ha sido una mejor comprensión de la actina.

Pantallas de moléculas pequeñas para desarrollar nuevas terapias

Debido a que se obtienen fácilmente grandes cantidades de material, ahora se utilizan todas las modalidades de investigación de Xenopus para pantallas basadas en moléculas pequeñas.

Genética química del crecimiento vascular en renacuajos de Xenopus: dado el importante papel de la neovascularización en la progresión del cáncer, los embriones de Xenopus se utilizaron recientemente para identificar nuevas moléculas pequeñas inhibidoras de los vasos sanguíneos crecimiento. En particular, los compuestos identificados en Xenopus fueron efectivos en ratones. En particular, los embriones de rana ocuparon un lugar destacado en un estudio que utilizó principios evolutivos para identificar un nuevo agente disruptor vascular que puede tener potencial quimioterapéutico. Ese trabajo apareció en el New York Times Science Times

Pruebas

in vivo de posibles disruptores endocrinos en embriones transgénicos de Xenopus; Recientemente se ha desarrollado un ensayo de alto rendimiento para la alteración de la tiroides utilizando embriones transgénicos de Xenopus.

Pantallas de moléculas pequeñas en extractos de huevo de Xenopus: los extractos de huevo proporcionan un análisis rápido de los procesos biológicos moleculares y pueden detectarse rápidamente. Este enfoque se utilizó para identificar nuevos inhibidores de enzimas de reparación de ADN y degradación de proteínas mediadas por proteasomas.

Estudios genéticos

Si bien Xenopus laevis es la especie más utilizada para los estudios de biología del desarrollo, los estudios genéticos, especialmente los estudios de genética avanzada, pueden complicarse debido a su genoma pseudotetraploide. Xenopus tropicalis proporciona un modelo más simple para estudios genéticos, al tener un genoma diploide.

Técnicas de eliminación de la expresión génica

La expresión de los genes se puede reducir por diversos medios, por ejemplo, mediante el uso de oligonucleótidos antisentido dirigidos a moléculas específicas de ARNm. Los oligonucleótidos de ADN complementarios a moléculas específicas de ARNm a menudo se modifican químicamente para mejorar su estabilidad in vivo. Las modificaciones químicas utilizadas para este propósito incluyen fosforotioato, 2'-O-metilo, morfolino, fosforamidato de MEA y fosforamidato de DEED.

Oligonucleótidos de morfolino

Los oligos de morfolino se utilizan en ambos X. laevis y X. tropicalis para sondear la función de una proteína al observar los resultados de eliminar la actividad de la proteína. Por ejemplo, un conjunto de X. tropicalis genes ha sido cribado de esta manera.

Los oligos de morfolino (MO) son oligos antisentido cortos hechos de nucleótidos modificados. Los MO pueden anular la expresión génica al inhibir la traducción del ARNm, bloquear el empalme del ARN o inhibir la actividad y la maduración de los miARN. Los MO han demostrado ser herramientas eficaces de eliminación en experimentos de biología del desarrollo y reactivos de bloqueo de ARN para células en cultivo. Los MO no degradan sus objetivos de ARN, sino que actúan a través de un mecanismo de bloqueo estérico de manera independiente de RNAseH. Permanecen estables en las células y no inducen respuestas inmunitarias. La microinyección de MO en embriones tempranos de Xenopus puede suprimir la expresión génica de manera específica.

Al igual que todos los enfoques antisentido, diferentes MO pueden tener una eficacia diferente y pueden causar efectos inespecíficos fuera del objetivo. A menudo, es necesario probar varios MO para encontrar una secuencia diana eficaz. Se utilizan controles rigurosos para demostrar la especificidad, que incluyen:

• Fenocopia de mutación genética
• Verificación de proteína reducida por occidental o inmunosuficiente
• rescate mRNA añadiendo de nuevo un mRNA inmune al MO
• uso de 2 MOs diferentes (bloqueo de traducción y bloqueo de empalmes)
• inyección de control MOs

Xenbase proporciona un catálogo de búsqueda de más de 2000 MO que se han utilizado específicamente en la investigación de Xenopus. Los datos se pueden buscar a través de la secuencia, el símbolo del gen y varios sinónimos (como se usa en diferentes publicaciones). Xenbase asigna los MO a los últimos genomas de Xenopus en GBrowse, predice 'fuera del objetivo' éxitos y enumera toda la literatura de Xenopus en la que se ha publicado el morfolino.