Wie haben elektrische Fische elektrische Organe entwickelt?

Die Forscher bestätigten, dass die von ihnen entdeckte Genkontrollregion nur die Expression des Natriumkanalgens im Muskel und nicht in anderen Geweben kontrolliert. In diesem Bild leuchtet nur grün fluoreszierendes Protein in den Stammmuskeln eines sich entwickelnden Zebrafischembryos auf. Bildnachweis: Mary Schwartz/Johann Eberhart/The University of Texas at Austin.

Elektrische Organe helfen elektrischen Fischen, wie dem elektrischen Aal, alle möglichen erstaunlichen Dinge zu tun: Sie senden und empfangen Signale, die wie Vogelgesang aussehen, und helfen ihnen, andere elektrische Fische nach Art, Geschlecht und sogar Individualität zu identifizieren. Eine neue Studie in Wissenschaftlicher Fortschritt Er erklärt, wie kleine genetische Veränderungen es elektrischen Fischen ermöglichten, elektrische Organe zu entwickeln. Die Entdeckung könnte Wissenschaftlern auch helfen, genetische Mutationen hinter einigen menschlichen Krankheiten zu identifizieren.

Die Evolution nutzte die genetische Laune der Fische, um elektrische Organe zu entwickeln. Alle Fische haben Duplikate desselben Gens, das winzige Muskelmotoren produziert, die Natriumkanäle genannt werden. Um elektrische Organe zu entwickeln, schalteten elektrische Fische ein Duplikat des Natriumkanalgens im Muskel aus und schalteten es in anderen Zellen ein. Die winzigen Motoren, die normalerweise Muskeln dazu bringen, sich zusammenzuziehen, um elektrische Signale zu erzeugen, wurden umgeleitet, und voila! Ein neues Mitglied mit einigen erstaunlichen Fähigkeiten wurde geboren.

„Das ist aufregend, weil wir sehen können, wie eine kleine Veränderung in einem Gen den Ort, an dem es exprimiert wird, vollständig verändern kann“, sagte Harold Zacon, Professor für Neurowissenschaften und integrative Biologie an der University of Texas in Austin und korrespondierender Autor der Studie.

In der neuen Veröffentlichung beschreiben Forscher der Austin State University und der Michigan State University die Entdeckung eines kurzen Abschnitts des Natriumkanal-Gens – 20 Buchstaben lang – der kontrolliert, ob das Gen in einer bestimmten Zelle exprimiert wird. Sie betonten, dass diese Kontrollregion bei Zitterfischen entweder variabel ist oder ganz fehlt. Aus diesem Grund ist eines der Natriumkanal-Gene in den elektrischen Muskeln von Fischen deaktiviert. Aber die Auswirkungen gehen weit über die Evolution elektrischer Fische hinaus.

„Dieser Kontrollbereich ist bei den meisten Wirbeltieren vorhanden, einschließlich des Menschen“, sagte Zakon. „Der nächste Schritt in Bezug auf die menschliche Gesundheit wäre also, diese Region in menschlichen Gendatenbanken zu untersuchen, um zu sehen, wie viel Varianz es bei normalen Menschen gibt und ob einige Deletionen oder Mutationen in dieser Region zu einer geringeren Expression von Natriumkanälen führen könnten, was kann zu Krankheiten führen.”

Die Erstautorin der Studie ist Sarah Labotin, zum Zeitpunkt der Untersuchung Forschungstechnikerin am Zackon Lab und derzeit Doktorandin an der University of Utah. Neben Zacon sind die anderen Hauptautoren der Studie Johann Eberhart, Professor für molekulare Biowissenschaften an der University of Austin, und Jason Gallant, außerordentlicher Professor für integrative Biologie an der Michigan State University.

Das Natriumkanal-Gen muss im Muskel ausgeschaltet werden, bevor sich ein elektrisches Organ entwickeln kann, sagte Zakon.

“Wenn sie das Gen sowohl im Muskel als auch im elektrischen Organ einschalten würden, würden all die neuen Dinge, die mit den Natriumkanälen im elektrischen Organ passieren, auch im Muskel passieren”, sagte Zacon. „Deshalb war es wichtig, die Expression des Gens vom elektrischen Organ zu isolieren, wo es sich entwickeln kann, ohne den Muskel zu schädigen.“

Es gibt zwei Gruppen von elektrischen Fischen auf der Welt – eine in Afrika und eine in Südamerika. Die Forscher entdeckten, dass der elektrische Fisch Afrikas Mutationen in der Kontrollregion aufwies, während der elektrische Fisch Südamerikas diese vollständig verlor. Beide Gruppen fanden die gleiche Lösung für die Entwicklung eines elektrischen Organs – Verlust der Expression des Natriumkanal-Gens im Muskel – wenn auch auf zwei unterschiedlichen Wegen.

„Wenn ich den Balken des Lebens zurückspule und die Play-Taste drücke, wird es dann auf die gleiche Weise neu starten oder wird es neue Wege finden, um voranzukommen? Wird die Evolution immer wieder auf die gleiche Weise funktionieren?“ sagte Galant, der die elektrischen Fische aus Südamerika züchtet, die in einem Teil der Studie verwendet wurden. “Lassen Sie uns elektrische Fische versuchen, diese Frage zu beantworten, weil sie diese erstaunlichen Eigenschaften wiederholt entwickelt haben. Wir haben in diesem Artikel nach Zäunen geschwungen, um zu verstehen, wie diese Natriumkanalgene bei elektrischen Fischen immer wieder verloren gegangen sind. Das war wirklich so eine gemeinsame Anstrengung.“

Eine der nächsten Fragen, die die Forscher zu beantworten hoffen, ist, wie sich die Kontrollregion entwickelt hat, um die Natriumkanäle im elektrischen Organ zu betreiben.


Das Gen, das für den “Funken” des elektrischen Fisches verantwortlich ist, wurde im Geister-Messerfisch aus Südamerika gefunden


Mehr Informationen:
Sarah Labotin et al., Die divergente regulatorische Entwicklung von cis liegt dem konvergenten Verlust der Natriumkanalexpression bei elektrischen Fischen zugrunde, Wissenschaftlicher Fortschritt (2022). DOI: 10.1126 / sciadv.abm2970. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm2970

Präsentiert von der University of Texas at Austin

das Zitat: How Electric Fish Have Evolved Electric Organs (2022, 1. Juni) Abgerufen am 2. Juni 2022 von https://phys.org/news/2022-06-electric-fish-evolve.html

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