Wie hat der Zebrafisch seine Streifen bekommen? Forscher sind der Antwort einen Schritt näher gekommen

Obwohl Zebrafische viel kleiner und weniger berühmt sind als ihre terrestrischen Namensvetter, verfügen die winzigen Fische über eine einzigartige Fähigkeit: Sie können die Farbe ihrer charakteristischen Streifen schnell von Blau zu Gelb ändern, wenn sie in Not sind.

Wie Chamäleons erreichen Zebrafische diese Farbveränderung durch strukturelle Veränderungen. Indem sie die Ausrichtung lichtreflektierender Kristalle auf ihren Schuppen und ihrer Haut präzise und gleichzeitig ändern, können Zebrafische die Farbe ihrer Streifen über die gesamte Länge ihres Körpers in Sekundenschnelle ändern.

In neue Forschung erscheinen in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenhaben Wissenschaftler den komplexen zellulären Mechanismus entschlüsselt, der diesem Farbwechsel zugrunde liegt. Mithilfe moderner Bildgebungsverfahren haben sie die Moleküle, Strukturen und Signalmechanismen innerhalb der Zelle identifiziert, die zusammenarbeiten, um die Streifen des Zebrafisches von blau nach gelb zu ändern, wenn der Fisch unter Stress steht.

„Niemand hat diese Strukturen zuvor auf dieser Ebene gesehen, und niemand hat gezeigt, wie sie auf Veränderungen von Licht und Farbe reagieren“, sagt Jennifer Lippincott-Schwartz, eine leitende Gruppenleiterin und Leiterin des Forschungsbereichs 4D-Zellphysiologie bei Janelia, die die Hauptautorin der neuen Studie in Zusammenarbeit mit dem Labor von John Hammer vom NIH war. „Es gab die Vermutung, dass die Kristalle irgendwie ihre Anordnung verändern, um ihre Farbe zu ändern, aber wir zeigen genau, wie das passiert.“

Die neuen Erkenntnisse könnten Wissenschaftlern dabei helfen, die molekularen Mechanismen besser zu verstehen, die den Farbwechseln bei anderen Tieren – von Chamäleons bis zu Ruderfußkrebsen – zugrunde liegen, die ähnliche strukturelle Farbwechsel zur Kommunikation, zur Regulierung der Körpertemperatur und zur Tarnung nutzen.

„Es macht Sinn, dass die gleichen Komponenten, die hierfür benötigt werden, auch in anderen Systemen vorhanden sind. Daher glauben wir, dass dies eine robuste Möglichkeit für Organismen sein könnte, ihre Farbe zu ändern. Und wir haben einige erste Hinweise darauf, dass dies tatsächlich bei anderen Organismen geschieht“, sagt Dvir Gur, ein Forscher am Weizmann Institute of Science, der die neue Arbeit leitete.

Untersuchung der Zebrafischstreifen

Gur begann als Postdoktorand im Lippincott-Schwartz-Labor zu untersuchen, wie Zebrafische zu ihren Streifen kamen. Im Jahr 2020 haben Gur, Lippincott-Schwartz und ein Forscherteam identifiziert wie die Anordnung winziger Guaninkristalle in den Schuppen des Zebrafisches seine blauen und gelben Streifen erzeugt.

Bei der Untersuchung der Fische waren die Forscher fasziniert davon, wie die blauen Streifen des Zebrafisches verschwanden, wenn ein Fischpfleger den Raum betrat oder wenn er einen Kampf gegen ein dominantes Männchen verlor.

Bei vielen Tieren kommt es zu Farbveränderungen, wenn sich Pigmentsäckchen innerhalb der Zelle auflösen und ansammeln. Bei den Iridophoren des Zebrafisches war dies jedoch nicht der Fall. Eine solche Bewegung der Kristalle innerhalb dieser Zellen hätte dazu geführt, dass die Iridophoren ihre strukturell bedingte Farbe verloren hätten. Es gab Hinweise darauf, dass der Fisch die Ausrichtung der Kristalle ändern konnte, um Licht in unterschiedlichen Winkeln zu reflektieren und so unterschiedliche Farben zu erzeugen. Wie das jedoch geschah, war noch nicht klar.

„Das war der Auslöser, der uns dazu brachte, den Mechanismus zu untersuchen, der den Farbwechsel in diesen Zellen ermöglichte“, sagt Gur. „Wir wussten, dass es einen anderen Weg geben musste.“

Ein Blick aus der Nähe

Das Team begann damit, sich die Kristalle vor und nach der Farbänderung genauer anzusehen. Dafür verwendete es hochauflösende Bilder und Synchrotron-basierte Röntgenbeugung.

Sie sahen, dass die Kristalle im Inneren der Iridophore in Stapeln langer, plattenartiger Strukturen angeordnet sind. Die Farbveränderung entsteht durch die gleichzeitige und präzise Neigung dieser Kristalle. Gur vergleicht den Vorgang mit der Bewegung einer Jalousie, bei der sich die Lamellen gemeinsam neigen, um zu steuern, wie viel Licht durchkommt. Wenn ein Zebrafisch gestresst ist, neigen sich alle Kristalle in einem Winkel von 20 Grad, wodurch sich der Abstand zwischen ihnen und der Winkel des auf sie treffenden Lichts ändern. Dies verändert die optischen Eigenschaften der Kristalle im Iridophor, wodurch die Streifen des Fisches von blau nach gelb wechseln.

Als nächstes nutzten die Forscher Live-Bilder, um zu verstehen, was diesen Prozess antreibt. Nachdem sie bei den Fischen künstlich eine Stressreaktion hervorgerufen hatten, fand das Team heraus, dass die Neigung durch Motorproteine ​​namens Dynein ermöglicht wurde, die entlang der Mikrotubuli in der Zelle wandern und sich mit den Kristallen verbinden, indem sie diese ziehen und neigen, um die Farbänderung zu erzeugen.

Der Prozess wird durch ein Molekül namens zyklisches AMP reguliert, ein zweiter Botenstoff, der aktiviert wird, wenn der Fisch unter Stress steht. Zyklisches AMP sendet ein Signal an viele Zellen im Fisch gleichzeitig, löst die Neigung aus und bewirkt, dass alle Streifen gleichzeitig ihre Farbe ändern.

Die neuen Erkenntnisse liefern nicht nur einen Mechanismus für strukturelle Farbveränderungen, sondern könnten auch Aufschluss darüber geben, warum manche Tiere diese Molekülkristalle bilden, die beim Menschen Nierensteine ​​und Gicht verursachen können. Sie könnten auch zur Entwicklung künstlicher Materialien und Geräte beitragen, die diese natürlichen Eigenschaften nutzen.

„Für mich dreht sich alles um von Neugier getriebene Wissenschaft: Alles, was wir tun, tun wir, weil wir die Natur besser verstehen wollen“, sagt Gur und fügt hinzu, dass es bemerkenswert ist zu sehen, wie winzige Organismen etwas erreichen können, was der Mensch mit seiner fortschrittlichen Technologie nicht kann. „Daraus könnten jedoch viele verschiedene Dinge entstehen, die letztendlich auch nützlich sein könnten, von der Nutzung der Natur als Quelle, um Prinzipien der Biomimetik zu erlernen, über optische Geräte, die ähnliche Ansätze verwenden, bis hin zu abstimmbaren photonischen Kristallen der nächsten Generation.“