Biologie, experimentelle Nutzung u. Haltung von Krallenfröschen Prof. Dr. Gero Hilken Zentrales Tierlaboratorium UK Essen Gliederung • • • • • Systematik und Biologie Nutzung Haltung Krankheiten (Zucht) Revision of Appendix A of the Convention Table 1: Four habitats and examples of amphibian species of each habitat frequently used MEDLINE-Search Number of publications 1995-2000 Key-word: 0 5000 10 000 201 482 Rats 157 419 Mice Xenopus spp. Rana Rana catesbeiana Ambystoma spp. Bufo marinus 200 000 8 784 558 483 190 AMPHIBIANS RHODENTS Systematik und Biologie Urodela (Schwanzlurche) Die Schwanzlurche präsentieren ausgeprägt die plesiomorphen Züge der Amphibia und Batrachia. Artenarm, 450 Arten, weitgehend Nordhalbkugel, nur mit Vorkommen im oberen Amazonas überschreiten sie den Äquator. Plesiomorphien • stark wassergebundene Lebensweise • langer Rumpf mit Schwanz, gleichstarke, kurze Extremitäten • wiederholte Evolution neotäner, zeitlebens aquatischer Arten Ambystoma mexicanum (Axolotl) Ambystoma tigrinum 24 Familien 339 Gattungen ca. 4400 Arten Pipidae (Zungenlose) • aquatisch, Schwimmer • Keine Zunge und kein Trommelfell • Augenlider reduziert, Augen klein • Mündung der Eustachischen Röhre unpaar • Seitenlinienorgan zeitlebens erhalten • 6-8 präsakrale Wirbel, • Larven auch mit Rippen • Larven mit inneren Kiemen • Amplexus inguinal Pipa Xenopus Verbreitung Xenopus laevis ist im südwestlichen Afrika verbreitet. Die Unterart X. l. laevis in Namibia, Südafrika, Lesotho, Swasiland,Botswana, Simbabwe und Malawi. In Kalifornien eingebürgert. Xenopus tropicalis kommt in den Tiefland-Regenwälder Westafrikas vor (Senegal, Nigeria). Vorteile von Krallenfröschen • Tiere nicht geschützt • lange Haltungserfahrungen • relativ anspruchslos in der Haltung (rein aquatisch) • relativ leicht zu züchten; Ovulation kann leicht durch HCG ausgelöst werden; Verpaarung ganzjährig möglich • Ontogenese sehr gut bekannt • Weibchen können mehrfach zur OozytenSpenden herangezogen werden Genetik • Innerhalb der Gattung Xenopus sind alle Formen polyploid (von 4n bis 12n). Ausnahme X. tropicalis! • Xenopus laevis und Xenopus tropicalis: • 36/20 Chromosomen; 4n/2n • Weibchen heterogametisch (ZW) • Männchen homogametisch (ZZ) • isogene und transgene Krallenfrösche • hybridisieren mit anderen Krallenfrosch-Arten Biologie von X. laevis • euryöke Tierart (pH, Salzgehalt, Temperatur etc.) • leben in schlammigen, z. T. temporären Gewässern • können lange hungern und im feuchten Schlamm überdauern • überleben im Trockenen kaum 3 Stunden Biologie von X. tropicalis • Lebt in relativ flachen Weihern und Urwaldtümpeln, die stark mit Wasserpflanzen bewachsen sind. • Wassertemperaturen liegen zwischen 27-32°C • pH-Wert neutral bis leicht sauer • Purzelbaumartige Paarungstänze (Höhe des Beckens!) Nutzung von Krallenfröschen • externe Embryonalentwicklung und transparente Larven erlauben es, die Organogenese zu verfolgen • Größe der Larven erlaubt mikrochirurg. Manipulationen • transgene Tiermodelle • Bioindikatoren • Kreislauf- und Pharmaforschung • (in der Schwangerschaftsdiagnostik) • (in der Studentenausbildung) Journal of Biological Chemistry, You D et al. „The first gene-encoded amphibian neurotoxin“ 2009, 1-12 High level of biochemical diversity make amphibian skins attractive subjects for chemical prospecting. Many amphibian skin peptides, such as antimicrobial peptides (10-13), tachykinins (14-16), dermorphins (17, 18), cholecystokinin (19) and bradykinins (20-22) which play defensive roles, have been extensively studied in recent decades but a large amount of pharmacological peptides with defensive functions may remain to be identified (12). Magainine Magainins are peptide antibiotics with antibacterial and antiparasitic activities, originally extracted from the skin of Xenopus laevis. These antimicrobial peptide shave broad-spectrum, nonspecific activity against a widerange of microorganisms, including viruses, gram-positive and gram-negative bacteria, protozoa, yeasts and fungi, and may also be hemolytic and cytotoxic to cancercells. Magainin 1 is a bactericide. Both Magainin 1 and 2 exhibitin hibitory action towardHerpes simplex virus type 1(HSV-1) and HSV-2. Ref: Williams, RW. et al. Biophysical J. 53, 631A (1988); Morvan, A. et al. Mol. Mar. Biol. Biotechnol. 3, 327 (1994); Matanic, A. et al. Int. J. Antimicrob Agents 23, 382 (2004); Zasloff, M. Proc. Natl. Acad. Sci. 84, 5449 (1987). Nutzung von Xenopus-Oozyten • Studium der Expression und Charakterisierung exogener, oozytenfremder Proteine • Membraneigenschaften (Rezeptoren, Ionenpumpen, Ionenkanäle etc.) • intrazelluläre Messungen der Aktionen von primären und sekundären Botenstoffen • elektro- u. transportphysiologische, biochemische und morphologische Untersuchungen der Entwicklungsstadien im Verlauf der Oogenese Xenopus laevis u. X. tropicalis Xenopus tropicalis vs X. laevis • Größe der Weibchen: 4-5cm/12cm • Eizahl: 1000-3000/300-1000 • diploid/polyploid(4n), genetische Studien bei X. laevis problematischer (Genduplikation) • 20/36 Chromosomenpaare • X. tropicalis hat eines der kleinsten Genome innerhalb der Amphibien. Es ist nur etwa halb so groß wie das von X. laevis • Generationszeit:4-6/12Monate • Larven: 0,7-0,8/1,0-1,3 cm Vorteile von Xenopus tropicalis • Entwicklung verläuft weniger variabel • sehr effektive Generierung von transgenen Nachkommen über Transferierung von genmanipulierten Spermien-Nuklei in unbefruchtete Eizellen. • Multi-Generationen Experimente sind mit X. tropicalis möglich. • Unterbringung von mehr Fröschen/Becken möglich Haltung • • • • • • Fütterung Wassertemperatur Wasseraufbereitung Wasserstand Beckenfarbe, Deckung, Beleuchtung Besatzdichte Haltung adulter Xenopus laevis Wassertemperatur: Wasserstand: Besatzdichte: Untergrundhelligkeit: Beleuchtung: Deckung: Wasseraufbereitung: Fütterung: 20-22°C 20-50cm (600cm2/Frosch in Gruppenhaltung; 2400 cm2/ Frosch in Einzelhaltung) dunkle Beckenfarbe 200 Lux,12stündige L/D-Phasen wenige dunkle Tonröhren Filterreinigung täglich alternierend mit standardisiertem Lebendfutter (Drosophila-Larven, Xenopus-Kaulquappen), pelletiertem Xenopus-Futter, zerkleinertes Herz. Haltung adulter Xenopus tropicalis Wassertemperatur: 24-26°C Wasserstand: 15-30cm Besatzdichte: 150cm2/Frosch in Gruppenhaltung; 800cm2/ Frosch in Einzelhaltung Untergrundhelligkeit:dunkle Beckenfarbe Beleuchtung: 200 Lux, 12stündige Licht/Dunkelphasen Deckung: wenige dunkle Tonröhren Wasseraufbereitung: Wasserspülung 1xtäglich für 15 min Fütterung: täglich alternierend mit Lebendfutter (Tubifex sp.),pelletiertem Xenopus-Futter, zerkleinertes Herz. Hygienemaßnahmen • Für jedes Becken ist ein separates Netz zu verwenden • Futterreste regelmäßig entfernen • Kranke Tiere sofort separieren • Handling Zucht • Verhalten • Induktion der Paarung und Eiablage Induktion der Paarung bei X. laevis • Elterntiere 3 Tage vor Hormonbehandlung nach Geschlechter trennen; nüchtern lassen. • Am Morgen des 4. Tages werden den Männchen 200 I.E. HCG in den dorsalen Lymphsack appliziert. • Am Morgen des 5. Tages erhalten die Weibchen die 1. HCG-Injektion (200 I.E.), 6 Stunden später die zweite (600 I.E.). • Zeitgleich mit der 2. Injektion der Weibchen erhalten die Männchen ein 2. Mal 200 I.E. HCG. Induktion der Paarung bei X. tropicalis • Elterntiere vor Hormonbehandlung nach Geschlechter trennen; nüchtern lassen. • 15 I.E. in den dorsalen Lymphsack, danach ins Becken zurücksetzen • Nach 12-72 Stunden erneut 100 I.E. applizieren, danach Paare zusammensetzen. • Amplexus beginnt nach 3-4 Stunden und endet nach bis zu 6 Stunden. Haltung von Xenopus-Kaulquappen I Wassertemperatur: 22°C Wasserstand: 10-20cm Besatzdichte: 0,5lWasser/Kaulquappe, bei Grundfläche von 1m2 400 Kaulquappen Untergrundhelligkeit: dunkle Beckenfarbe Haltung von Xenopus-Kaulquappen II • Beleuchtung: ? Lux, 12stündige L/D • Wasseraufbereitung: Wasser belüften, manuelle Reinigung, nicht gefressenes Futter absaugen, Becken nur mit abgestandenem Wasser auffüllen. • Fütterung: 2x täglich mit einer AlgenpulverSuspension (Mikrozell®, max. 150-200mg/l Wasser/Tag)