African Clawed Frog

Afrikan kynsisammakko (Xenopus laevis, tunnetaan myös nimillä xenopus, African clawed toad, African claw-toed frog tai platanna) on Pipidae-heimoon kuuluva afrikkalainen vesisammakkolaji. Sen nimi juontaa juurensa sen kummankin takajalan kolmesta lyhyestä kynsistä, joilla se repii ruokansa kappaleiksi. Sana Xenopus tarkoittaa ”outo jalka” ja laevis ”sileä”.

Lajia tavataan suuressa osassa Saharan eteläpuoleista Afrikkaa (Nigeriasta ja Sudanista Etelä-Afrikkaan) sekä yksittäisinä, muualle tuotuina populaatioina Pohjois-Amerikassa, Etelä-Amerikassa ja Euroopassa. Kaikki Pipidae-suvun lajit ovat kielettömiä, hampaattomia ja täysin vesieläimiä. Ne käyttävät käsiään työntääkseen ruokaa suuhunsa ja kurkkuunsa ja hyobranchiaalista pumppua vetääkseen tai imiäkseen asioita suuhunsa. Pipidae-eläimillä on voimakkaat jalat, joiden avulla ne voivat uida ja pyrkiä ruoan perässä. Ne käyttävät myös jalkojensa kynsiä repiäkseen suuria ruokapaloja. Niillä ei ole ulkoisia tärykalvoja, vaan ihonalaisia rustolevyjä, joilla on sama tehtävä. Ne käyttävät herkkiä sormiaan ja hajuaistiaan ruoan etsimiseen. Pipidat ovat haaskaeläimiä, ja ne syövät lähes kaikkea elävää, kuolevaa tai kuollutta sekä kaikenlaista orgaanista jätettä.

Kuvaus

Nämä sammakot ovat runsaslukuisia lammikoissa ja joissa Saharan eteläpuolisen Afrikan kaakkoisosassa. Ne ovat vesieläimiä ja väriltään usein vihertävänharmaita. Albiinoja myydään yleisesti lemmikkeinä. Myös ”luonnonvaraisia” afrikkalaisia kynsisammakoita myydään usein lemmikkeinä, ja ne nimetään usein virheellisesti kongosammakoksi tai afrikkalaiseksi kääpiösammakoksi niiden samankaltaisen värityksen vuoksi. Ne on helppo erottaa afrikkalaisista kääpiösammakoista, koska afrikkalaisilla kynsisammakoilla on verkkokalvot vain takajaloissaan, kun taas afrikkalaisilla kääpiösammakoilla on verkkokalvot kaikissa neljässä jalassaan.

Se lisääntyy hedelmöittämällä munat naaraan ruumiin ulkopuolella (ks. sammakon lisääntyminen). Seitsemästä ampleksustilasta (asennot, joissa sammakot parittelevat) nämä sammakot lisääntyvät inguinal ampleksuksessa, jossa uros tarttuu naaraaseen naaraan takajalkojen edestä ja puristaa, kunnes munat tulevat ulos. Tämän jälkeen munat hedelmöittyvät.

Kynsisammakot ovat ainoita sammakkoeläimiä, joilla on todelliset kynnet, joita käytetään kiipeilyyn ja ravinnon, kuten kalojen tai nuijapäiden, silppuamiseen. Ne munivat muniaan talvesta kevääseen. Sateisina sateisina kausina ne matkustavat muihin lampiin tai vesilammikoihin etsimään ravintoa. Kuivina aikoina kynsisammakot voivat kaivautua mutaan ja vaipua horrokseen jopa vuodeksi.

Xenopus laeviksen tiedetään selviytyvän luonnossa 15 tai enemmänkin vuotta ja vankeudessa 25-30 vuotta. Ne irrottavat nahkansa joka vuodenaika ja syövät omaa irtoavaa nahkaansa.

Niinkin kuin uroksilla ei ole äänipussia, ne ääntelevät vuorotellen pitkistä ja lyhyistä trillereistä koostuvaa paritteluhuutoa supistamalla kurkunpään sisäisiä lihaksia. Myös naaraat vastaavat äänellisesti viestittäen joko uroksen hyväksymisestä (koputusääni) tai hylkäämisestä (hidas tikitys). Tällä sammakolla on sileä, liukas iho, joka on selässä monivärinen, ja siinä on oliivinharmaita tai ruskeita täpliä. Sen alapuoli on kermanvalkoinen, ja siinä on keltainen vivahde.

Sammakkourokset ja -naaraat voidaan helposti erottaa toisistaan seuraavien erojen perusteella. Urossammakot ovat yleensä noin 20 % naaraita pienempiä, ja niiden vartalo ja jalat ovat hoikat. Urokset ääntelevät naaraiden houkuttelemiseksi paritteluhuutoja, jotka kuulostavat hyvin samalta kuin veden alla huutava sirkka. Naaraat ovat isompia kuin urokset, ja ne näyttävät paljon pulleammilta, ja niiden takajalkojen yläpuolella on lonkkamaisia pullistumia (joissa munat sijaitsevat sisäisesti).

Kummallakin uroksella ja naaraalla on kloakki, joka on kammio, jonka kautta ruoansulatus- ja virtsajätteet kulkevat ja jonka kautta myös lisääntymisjärjestelmät tyhjenevät. Kloakki tyhjenee venttiilin kautta, joka matelijoilla ja sammakkoeläimillä on yksi aukko kaikille kolmelle järjestelmälle.

Viljelyssä

Monogeeninen Protopolystoma xenopodis, Xenopus laevis -lajin virtsarakon loinen

Viljelyssä Xenopus laevis -lajin laji on kotoperäinen kosteikoissa, lammikoissa ja järvissä Saharan eteläpuolisen Afrikan kuivilla/semiarideilla alueilla. Xenopus laevis ja Xenopus muelleri esiintyvät Afrikan suuren repeämän länsirajalla. Saharan eteläpuolisen Afrikan ihmiset tuntevat tämän sammakon yleensä hyvin, ja joissakin kulttuureissa sitä käytetään proteiinin lähteenä, aphrodisiacina tai hedelmällisyyslääkkeenä. Kaksi historiallista priapismapurkausta on yhdistetty kantaridiinia sisältäviä hyönteisiä syöneiden sammakoiden jalkojen syömiseen.

Xenopus laevis on luonnossa yleisesti erilaisten loisten tartuttama, mukaan lukien virtsarakon monogeneesit.

Käyttö tutkimuksessa

Xenopuksen alkiot ja munat ovat suosittu mallijärjestelmä monenlaisiin biologisiin tutkimuksiin. Tätä eläintä käytetään laajalti, koska se on tehokas yhdistelmä kokeellista käsiteltävyyttä ja läheistä evolutiivista suhdetta ihmiseen, ainakin verrattuna moniin malliorganismeihin. Kattavampi keskustelu näiden sammakoiden käytöstä biolääketieteellisessä tutkimuksessa on kohdassa Xenopus.

Kaksi eteläafrikkalaista tutkijaa, Hillel Shapiro ja Harry Zwarenstein, jotka olivat Lancelot Hogbenin oppilaita Kapkaupungin yliopistossa, kehittivät 1930-luvun alussa testin ihmisen raskauden toteamiseksi ruiskuttamalla naisen virtsaa Xenopus laevis -sammakkoon. Jos sammakko ovuloi, nainen oli raskaana. Tätä yksinkertaista ja luotettavaa testiä käytettiin yleisesti 1930-luvulta 1960-luvulle.

Xenopus on ollut pitkään tärkeä väline selkärankaisten eläinten molekyyli-, solu- ja kehitysbiologian in vivo -tutkimuksissa. Xenopus-tutkimuksen laaja-alaisuus johtuu kuitenkin myös siitä, että Xenopuksesta valmistetut soluttomat uutteet ovat ensiluokkainen in vitro -järjestelmä solu- ja molekyylibiologian perusnäkökohtien tutkimiseen. Näin ollen Xenopus on ainoa selkärankaisten mallijärjestelmä, joka mahdollistaa geenien toiminnan in vivo -analyysit ja biokemian korkean läpimenon. Xenopuksen munasolut ovat myös johtava järjestelmä ionikuljetuksen ja kanavien fysiologian tutkimiseen.

Vaikka X. laevis ei ole geneettisiltä malliorganismeilta yleisesti toivottu lyhyt sukupolveutumisaika ja geneettinen yksinkertaisuus, se on tärkeä malliorganismi kehitysbiologiassa, solubiologiassa, toksikologiassa ja neurobiologiassa. X. laevis tarvitsee 1-2 vuotta saavuttaakseen sukukypsyyden, ja se on tetraploidi, kuten suurin osa suvustaan. Sillä on kuitenkin suuri ja helposti käsiteltävä alkio. Sammakkoeläinten alkioiden helppo manipuloitavuus on antanut niille tärkeän aseman historiallisessa ja modernissa kehitysbiologiassa. Sukulaislajia, Xenopus tropicalista, pidetään nykyään elinkelpoisempana geneettisenä mallina.

Roger Wolcott Sperry käytti X. laevista kuuluisissa kokeissaan, joissa hän kuvasi näköjärjestelmän kehitystä. Nämä kokeet johtivat kemoaffiniteettihypoteesin muotoiluun.

Xenopusin munasolut ovat tärkeä ekspressiojärjestelmä molekyylibiologiassa. Ruiskuttamalla DNA:ta tai mRNA:ta munasoluun tai kehittyvään alkioon tutkijat voivat tutkia proteiinituotteita kontrolloidussa järjestelmässä. Tämä mahdollistaa manipuloitujen DNA:iden (tai mRNA:n) nopean toiminnallisen ilmentymisen. Tämä on erityisen hyödyllistä elektrofysiologiassa, jossa kalvokanavien ilmentäminen on houkuttelevaa, koska nauhoittaminen munasolusta on helppoa. Oosyyttityöskentelyn haasteena on eliminoida natiivit proteiinit, jotka saattavat häiritä tuloksia, kuten oosyytille natiivit kalvokanavat. Proteiinien translaatio voidaan estää tai pre-mRNA:n splikointia voidaan muuttaa injektoimalla Morpholino-antisense-oligoja munasoluun (jakautuminen koko alkioon) tai varhaisalkioon (jakautuminen vain injektoidun solun tytärsoluihin).

X. laevis-sammakoiden munista saatuja uutteita käytetään myös yleisesti DNA:n replikaation ja korjauksen biokemiallisiin tutkimuksiin, koska nämä uutteet tukevat täysin DNA:n replikaatiota ja muita siihen liittyviä prosesseja soluttomassa ympäristössä, joka mahdollistaa helpomman manipuloinnin.

Ensimmäinen selkärankainen, joka on koskaan kloonattu, oli afrikkalaiskynsisammakko, kokeesta, josta Sir John Gurdon sai Nobelin fysiologian tai lääketieteen palkinnon vuonna 2012 ”keksinnöstä, jonka mukaan kypsiä soluja voidaan ohjelmoida uudelleen pluripotentiksi”.

Lisäksi useita afrikkalaisia kynsisammakoita oli mukana avaruussukkula Endeavourissa (joka laukaistiin avaruuteen 12. syyskuuta 1992), jotta tutkijat voisivat testata, voisivatko lisääntyminen ja kehitys tapahtua normaalisti painottomuudessa.

Xenopus laevis tunnetaan myös siitä, että sitä käytettiin ensimmäisessä laajalti käytössä olleessa raskaustestimenetelmässä sen jälkeen, kun Lancelot Hogben oli havainnut, että raskaana olevien naisten virtsa indusoi X. laeviksen munasolujen tuotannon. Ihmisen koriongonadotropiini (HCG) on hormoni, jota esiintyy huomattavia määriä raskaana olevien naisten virtsassa. Nykyään kaupallisesti saatavilla olevaa HCG:tä ruiskutetaan Xenopus-uroksille ja -naaraille parittelukäyttäytymisen aikaansaamiseksi ja näiden sammakoiden kasvattamiseksi vankeudessa mihin aikaan vuodesta tahansa.

Xenopus laevis toimii myös ihanteellisena mallijärjestelmänä apoptoosin mekanismien tutkimiseen. Itse asiassa jodi ja tyroksiini stimuloivat toukkien kidusten, hännän ja evien solujen näyttävää apoptoosia sammakkoeläinten metamorfoosissa ja edistävät niiden hermoston kehittymistä muuttaen vesieläimistä, kasvissyöjiä elävän tadpolin maalla eläväksi, lihansyöjäsammakoksi.

Genomin sekvensointi

Varhainen työ X. laeviksen genomin sekvensoimiseksi aloitettiin, kun Wallingfordin ja Marcotten laboratoriot saivat rahoitusta Texas Institute for Drug and Diagnostic Development (TI3D) -laitokselta yhdessä National Institutes of Healthin rahoittamien hankkeiden kanssa. Työ laajeni nopeasti käsittämään X. laevis -transkriptien de novo -rekonstruktiota yhteistyössä Illumina Hi-Seq RNA-sekvensointitietokantoja lahjoittavien ryhmien kanssa eri puolilla maailmaa. Rokhsarin ja Harlandin ryhmien (UC Berkeley) sekä Tairan ja yhteistyökumppaneiden (Tokion yliopisto, Japani) tekemät genomisekvensoinnit antoivat merkittävän sysäyksen hankkeelle, joka johti Alankomaissa, Koreassa, Kanadassa ja Australiassa toimivien tutkijoiden lisäsuoritusten myötä genomisekvenssin ja sen luonnehdinnan julkaisemiseen vuonna 2016.

Online Model Organism Database

Xenbase on malliorganismitietokanta (Model Organism Database, MOD) sekä Xenopus laevisille että Xenopus tropicalisille. Xenbase isännöi Xenopus laeviksen nykyisen genomin (9.1) kaikkia yksityiskohtia ja julkaisutietoja.

Lemmikkeinä

Xenopus laevisia on pidetty lemmikkeinä ja tutkimuskohteina jo 1950-luvulta lähtien. Ne ovat erittäin sitkeitä ja pitkäikäisiä, ja niiden tiedetään elävän vankeudessa jopa 20 tai jopa 30 vuotta.

Afrikkalaiset kynsisammakot merkitään eläinkaupoissa usein virheellisesti afrikkalaisiksi kääpiösammakoiksi. Tunnistettavia eroja ovat:

• Kääpiösammakoilla on neljä verkkomaista jalkaa. Afrikkalaisilla kynsisammakoilla on verkkomaiset takajalat, kun taas niiden etujaloissa on itsenäiset numerot.
• Afrikkalaisilla kääpiösammakoilla silmät sijaitsevat pään sivussa, kun taas afrikkalaisilla kynsisammakoilla silmät ovat pään yläosassa.
• Afrikkalaisilla kynsisammakoilla on kaareva, litteä kuono. Afrikkalaisen kääpiösammakon kuono on teräväkärkinen.

Tuholaisina

Afrikkalaiset kynsisammakot ovat ahneita saalistajia ja sopeutuvat helposti moniin elinympäristöihin. Tästä syystä niistä voi helposti tulla haitallisia vieraslajeja. Ne voivat matkustaa lyhyitä matkoja muihin vesistöihin, ja joidenkin on jopa todettu selviytyvän lievistä pakkasista. Niiden on osoitettu tuhoavan alkuperäisiä sammakko- ja muita eläinkantoja syömällä niiden poikasia.

Vuonna 2003 San Franciscon Golden Gate Parkin lammesta löydettiin Xenopus laevis -sammakoita. Alueella käydään nyt paljon keskustelua siitä, miten nämä otukset voitaisiin hävittää ja estää niiden leviäminen. Ei tiedetä, ovatko nämä sammakot joutuneet San Franciscon ekosysteemiin tarkoituksellisen vapauttamisen vai luontoon karkaamisen kautta. San Franciscon virkamiehet tyhjensivät Lily Pondin ja aidattiin alue, jotta sammakot eivät pääsisi karkaamaan muihin lampiin, ja toivovat niiden kuolevan nälkään.

Johtuen tapauksista, joissa näitä sammakoita on vapautettu ja päästetty karkaamaan luontoon, afrikkalaisia kynsisammakoita on laitonta omistaa, kuljettaa tai myydä ilman lupaa seuraavissa Yhdysvaltain osavaltioissa: Arizona, Kalifornia, Kentucky, Louisiana, New Jersey, Pohjois-Carolina, Oregon, Vermont, Virginia, Havaiji, Nevada ja Washingtonin osavaltio. Xenopus laeviksen omistaminen on kuitenkin laillista New Brunswickissa (Kanada) ja Ohiossa.

Villiintyneitä Xenopus laevis -kolonioita esiintyy Etelä-Walesissa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa.

Afrikkalaiskynsisammakko voi olla tärkeä vektori ja alkulähde Batrachochytrium dendrobatidis – sytriittisienelle, joka on osallisena sammakkoeläinpopulaatioiden jyrkässä vähenemisessä monissa osissa maailmaa. Toisin kuin monilla muilla sammakkoeläinlajeilla (mukaan lukien läheisesti sukua oleva länsikynsisammakko), joilla tämä sytridisieni aiheuttaa sytridiomykoosia, se ei näytä vaikuttavan afrikkalaiseen kynsisammakkoon, mikä tekee siitä tehokkaan kantajan.