Ryby jaskiniowe: tracą i odzyskują wzrok w wyniku nielosowych mechanizmów epigenetycznych

Ryby jaskiniowe tracą oczy, a ich potomstwo odzyskuje. Zidentyfikowano mechanizmy odpowiedzialne za ten proces. W pierwszym przypadku są w niego zaangażowane dodatkowe kopie genów, które przejmują rolę genów wyłączonych (uszkodzonych) w wyniku mutacji. Inny mechanizm jest skutkiem hybryzydacji. Do utraty wzroku prowadzi wiele dróg inaktywacji różnych genów u różnych populacji ryb jaskiniowych. Po skrzyżowaniu osobników z dwóch takich populacji zdrowe geny mogą zastępować uszkodzone i potomstwo odzyskuje wzrok.

Doświadczenie przeprowadził zespół Richarda Borowsky’ego z Nowego Jorku i wyniki swych prac opublikował w styczniowym numerze „Current Biolo-gy” z 2008 roku. Do badań użyto ryb tetra z Meksyku, żyjących zwykle w potokach i strumieniach górskich, ale także na obszarach silnie skrasowia-łych, w rozległych systemach jaskiń uformowanych przez wody podczas plejstocenu.

Te żyjące pod ziemią ryby z 29 głębokich jaskiń rozrzuconych po terytorium całego Meksyku mają bardzo zdegenerowane oczy (lub nie mają ich wcale) i wszystkie te populacje mają swych naziemnych kuzynów (do których są podobne genetycznie), z którymi mieli współnych przodków.

Kuzyni ci żyjący na powierzchni ziemi odznaczają się doskonałym wzrokiem. Co ważne, wszystkie są ze sobą spokrewnione (choć pokrewieństwo jest różne) i mogą się krzyżować, wydając na świat płodne potomstwo. Krzyżówki form ślepych i widzących odzyskują wzrok. Borowsky postanowił sprawdzić, jak będą wyglądać mieszańce rodziców jaskiniowych, gdy matka i ojciec pochodzą z różnych populacji - i różnych jaskiń U których mutacje w różnych genach doprowadziły do tego samego efekt: utraty narządów wzroku.

Wyniki okazały się zaskakujące: wśród potomstwa ślepych rodziców zawsze część rodziła się z w pełni rozwiniętymi, choć mniejszymi, oczami i odzyskiwała wzrok, co wykazano, skłaniając rybki do podążania za seriami poruszających się błysków światła. Jak to możliwe? Borowsky, który zainteresował się te-trami już wcześniej, zanalizował ich geny wzroku i stwierdził, że u jednej z populacji jaskiniowych występowały one w 12 różnych odcinkach genomu rozrzuconych na wielu chromosomach.

Niebagatelną rolę w przywracaniu wzroku potomstwu ślepych ryb miała też rekombinacja genetyczna, w wyniku której naprawiane, czy raczej uzupełniane, są uszkodzone fragmenty sieci genetycznych, odpowiedzialnych za morfogenezę oczu. Takie majstrowanie przy własnych genomach odbywa się powszechnie w biologii molekularnej i jest określane mianem naturalnej biotechnologii komórkowej, ewolucji kontrolowanej, czy jednym z mechanizmów w ramach normy reakcji na środowisko.

Potrzeba stworzenia nowej syntezy ewolucyjnej, wyjaśniającej źródła szybkiej adaptacji pojawiła się już dawno. Pomysły Karola Darwina zawładnęły umysłami biologów zanim zostały sprawdzone. Proces odchodzenia od tzw. syntetycznej teorii ewolucji (neodarwinizmu) okazuje się bardzo mozolny! Uczeni darwiniści boją się bardziej epigenetyki niż kreacjonizmu. Jak się okazało nie tylko mutacje wyłączają geny odpowiedzialne za rozwój nasządów wzroku u meksykańskich ryb jaskiniowych. Zaznaczyć należy, że mutacje mogą być losowe, lub nielosowe-adaptacyjne. Ewolucja kontrolowana. Z jednego genotypu powstaje wiele różnych fenotypów - zmienność w ramach normy reakcji na środowisko. Inaczej: naturalna biotechnologia komórkowa. Żywe organizmy dysponują mechanizmami molekularnymi, które w odpowiedzi na wyzwania środowoska majsterkują przy ich genomach generując powstawanie różnych adaptacji. Tego rodzaju ewolucja kontrolowana przez wyrafinowane kompleksy molekularne, które są nieredukowalnie złożone nie ma nic wspólnego z postulowanymi losowymi-neodarwinowskimi!

Uczeni odkryli mechanizm utraty oczu przez meksykańską rybę jaskiniową. Okazało się, że ten mechanizm molekularny nie jest wynikiem losowych mutacji i doboru naturalnego, tylko zaangażowane są w tym przypadku czynniki epigenetyczne. W dyskusję nad nowymi wynikami badać zaangażują się niewątpliwie zwolennicy stworzenia nowej ewolucyjnej syntezy. Którzy są zdania, że sam mechanizm neodarwinowski nie podaje wyjaśnienia szybkich adaptacji do wyzwań środowiska.

Jak wynika z badań przeprowadzonych przez Narodowy Instytut Zdrowia utrata tkanki oka u ryb ślepczyków jaskiniowych (Astyanax mexicanus) następuje w ciągu kilku dni podczas ich rozwoju - w wyniku epigenetycznego wyciszenia genów związanych z rozwojem oczu! Regulacja epigenetyczna to proces w którym geny są wyłączane lub włączane w sposób odwracalny lub tymczasowy.

Mechanizm ten różni się od losowych mutacji genetycznych, które są trwałymi zmianami w kodzie DNA. Badanie ukazało się w czasopiśmie Nature Ecology & Evolution. Astyanax mexicanus, to tropikalna ryba słodkowodna pochodząca z Meksyku. Kilka milionów lat temu niektóre z tych ryb prawdopodobnie zostały uwięzione w ciemnych jaskiniach i dały początek zupełnie innym odmianom, które nie mają oczu i wykazują kilka innych unikalnych zmian behawioralnych i fizjologicznych. Pomimo dramatycznych różnic, formy powierzchniowe i jaskiniowe mają podobne genomy i mogą się krzyżować. U form jaskiniowych wcześnie rozpoczyna się rozwój oczu podczas ontogenezy, ale w pewnym stadium po kilku dniach rozwoju oczy zaczynają ulegać degeneracji. Poprzednie badania nie wykazały żadnych oczywistych mutacji w genach ważnych dla rozwoju ich oczu.

Nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z NICHD i Uniwersytetu Maryland w College Park pokazuje, że wyciszanie dużego zestawu genów za pośrednictwem mechanizmów epigenetycznych ogranicza rozwój oczu jaskiniowych ryb A. mexicanus. Dwadzieścia sześć z tych genów ulega także ekspresji w ludzkich oczach (geny analogiczne) - dziewiętnaście jest powiązanych z chorobami oczu u człowieka. Zespół badawczy odkrył większą metylację DNA genów rozwoju oczu, a co za tym idzie mniejszą aktywność tych genów u ślepych ryb zamieszkujących liczne jaskinie w Meksyku.

Metylacja DNA to proces epigenetyczny, podczas którego DNA jest modyfikowane znacznikami zwanymi grupami metylowymi. Te znaczniki dodane przez białka zwane metylotransferazami DNA wyciszają geny, czyniąc, które stają się niedostępne do procesu transkrypcji. Autorzy odkryli, że ryby jaskiniowe mają wyższy poziom metylotransferazy DNA zwanej DNMT3B w rozwijających się oczach.

Kiedy zespół badawczy zmutował DNMT3B w innym gatunku ryb z oczami - danio pręgowanym, odkrył, że zmutowany danio pręgowany ma bardziej aktywne geny oka i większe oczy. Wyniki sugerują, że podczas ewolucji utraty wzroku u meksykańskich ryb jaskiniowych nastąpiła zmiana genetyczna skutkująca podwyższonym poziomem ekspresji genu kodującego DNMT3B, co doprowadziło do epigenetycznej supresji genów rozwoju oczu. „Nasze badanie wskazuje, że niewielkie zmiany genetyczne zmieniające regulację epigenetyczną mogą odegrać ważną rolę w ewolucji, wywołując dramatyczne zmiany w ekspresji dużych zestawów genów” – powiedział dr Aniket V. Gore, główny autor badania.

Dodatkowe fundusze na badanie zapewnił Narodowy Instytut Oka NIH. W niniejszym komunikacie prasowym opisano podstawowe wnioski z badań. Badania podstawowe pogłębiają naszą wiedzę na temat ludzkich zachowań i biologii, co ma fundamentalne znaczenie dla opracowania nowych i lepszych sposobów zapobiegania, diagnozowania i leczenia chorób. Nauka to nieprzewidywalny i stopniowy proces — każdy postęp badawczy opiera się na przeszłych odkryciach, często w nieoczekiwany sposób. Większość postępów klinicznych nie byłaby możliwa bez znajomości badań podstawowych (przeprowadzonych na modelach zwierzęcych)

Źródło