Wie elektrische Fische elektrische Organe entwickeln konnten

Elektrische Organe helfen elektrischen Fischen, wie dem Zitteraal, alle möglichen erstaunlichen Dinge zu tun: Sie senden und empfangen Signale, die Vogelgesängen ähneln, und helfen ihnen, andere elektrische Fische nach Art, Geschlecht und sogar Individuum zu erkennen. Eine neue Studie in Wissenschaftliche Fortschritte erklärt, wie kleine genetische Veränderungen es elektrischen Fischen ermöglichten, elektrische Organe zu entwickeln. Der Befund könnte Wissenschaftlern auch helfen, die genetischen Mutationen hinter einigen menschlichen Krankheiten zu lokalisieren.

Die Evolution nutzte eine Eigenart der Fischgenetik, um elektrische Organe zu entwickeln. Alle Fische haben doppelte Versionen desselben Gens, das winzige Muskelmotoren produziert, die als Natriumkanäle bezeichnet werden. Um elektrische Organe zu entwickeln, schalteten elektrische Fische ein Duplikat des Natriumkanalgens in Muskeln aus und in anderen Zellen ein. Die winzigen Motoren, die normalerweise Muskeln zusammenziehen, wurden umfunktioniert, um elektrische Signale zu erzeugen, und voila! Eine neue Orgel mit erstaunlichen Fähigkeiten war geboren.

„Das ist aufregend, weil wir sehen können, wie eine kleine Veränderung im Gen den Ort, an dem es exprimiert wird, vollständig verändern kann“, sagte Harold Zakon, 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 UT Austin und der Michigan State University die Entdeckung eines kurzen Abschnitts dieses Natriumkanalgens – etwa 20 Buchstaben lang – der kontrolliert, ob das Gen in einer bestimmten Zelle exprimiert wird. Sie bestätigten, dass diese Kontrollregion bei Zitterfischen entweder verändert ist oder ganz fehlt. Und deshalb ist in den Muskeln von Zitterfischen eines der beiden Natriumkanal-Gene ausgeschaltet. Aber die Auswirkungen gehen weit über die Evolution elektrischer Fische hinaus.

„Diese Kontrollregion befindet sich in den meisten Wirbeltieren, einschließlich Menschen“, sagte Zakon. „Der nächste Schritt in Bezug auf die menschliche Gesundheit wäre also, diese Region in Datenbanken menschlicher Gene zu untersuchen, um zu sehen, wie viele Variationen es bei normalen Menschen gibt und ob einige Deletionen oder Mutationen in dieser Region zu einer verringerten Expression von Natriumkanälen führen könnten , was zu Krankheiten führen kann.“

Die Erstautorin der Studie ist Sarah LaPotin, eine Forschungstechnikerin in Zakons Labor zum Zeitpunkt der Forschung und derzeit Doktorandin an der University of Utah. Neben Zakon sind die anderen leitenden Autoren der Studie Johann Eberhart, Professor für molekulare Biowissenschaften an der UT Austin, und Jason Gallant, außerordentlicher Professor für integrative Biologie an der Michigan State University.

Zakon sagte, dass das Natriumkanal-Gen im Muskel ausgeschaltet werden müsse, bevor sich ein elektrisches Organ entwickeln könne.

„Wenn sie das Gen sowohl im Muskel als auch im elektrischen Organ einschalten würden, würde all das neue Zeug, das mit den Natriumkanälen im elektrischen Organ passiert, auch im Muskel passieren“, sagte Zakon. „Daher war es wichtig, die Expression des Gens auf das elektrische Organ zu isolieren, wo es sich entwickeln konnte, ohne die Muskeln zu schädigen.“

Es gibt zwei Gruppen von elektrischen Fischen auf der Welt – eine in Afrika und die andere in Südamerika. Die Forscher entdeckten, dass die elektrischen Fische in Afrika Mutationen in der Kontrollregion aufwiesen, während elektrische Fische in Südamerika diese vollständig verloren. Beide Gruppen kamen auf die gleiche Lösung für die Entwicklung eines elektrischen Organs – Verlust der Expression eines Natriumkanal-Gens im Muskel – allerdings auf zwei unterschiedlichen Wegen.

„Wenn Sie das Band des Lebens zurückspulen und auf Play drücken würden, würde es auf die gleiche Weise abgespielt oder würde es neue Wege nach vorne finden? Würde die Evolution immer wieder auf die gleiche Weise funktionieren?“ sagte Gallant, der die elektrischen Fische aus Südamerika züchtet, die in einem Teil der Studie verwendet wurden. „Elektrische Fische lassen uns versuchen, diese Frage zu beantworten, weil sie diese unglaublichen Eigenschaften wiederholt entwickelt haben. Wir haben in diesem Artikel nach den Zäunen geschwungen, um zu verstehen, wie diese Natriumkanalgene wiederholt in elektrischen Fischen verloren gegangen sind. Es war wirklich eine gemeinsame Anstrengung .“

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