Den somaliske grottefisk er lys, skrumpet og blind, og lever et roligt liv i verdens mest let-udsultede farvande. Med deres forfærdelige blevhed og ingen øjne at tale om synes disse pastaagtige fisk ikke at have meget til fælles med pattedyr, men der er langt mere til den ydmyge hulfisk end der møder øjet.
Forskere rapporterede i går i tidsskriftet Current Biology, at hulfisk kunne kaste et meget tiltrængt lys over et mystisk kapitel i pattedyrsudvikling: tabet af solcelledrevet DNA-reparation. De fleste organismer har mekanismer til at reparere deres egne DNA-molekyler aktiveret af sollys, men pattedyr mistede træk et eller andet sted undervejs - og det gjorde også den somaliske hulfisk.
Som brugsvejledning til livet er DNA en dyrebar vare. Vedvarende skade på denne vitale kode bidrager til både aldring og øget modtagelighed for kræft. Desværre kan processen med kopiering og læsning af DNA være fyldt med fejl, og miljøet omkring os er fyldt med farer, lige fra skadelige kemikalier til stråler af ultraviolet lys, der er i stand til at ændre genetiske sekvenser.
Men takket være en række cellulære maskiner, der er i stand til at reparere kompromitteret DNA, afhjælpes de fleste af disse genetiske uheld uden konsekvens. Blandt disse afgørende reparationsfunktioner er fotoreaktiveringssystemet, der bruger et solcelledrevet enzym kaldet fotolyase til at rette fejl i DNA forårsaget af eksponering for UV-stråling. Denne smarte forsvarsmekanisme betyder, at den samme fare, der skader DNA - sollys - også udløser et reparationssystem for den genetiske kode.
Pattedyr og hulfisk er ret forskellige, men begge har tilpasset sig livet i mørke. Mange nattlige pattedyr, som denne kat, har et lag væv i øjet, der forbedrer deres nattesyn og får deres øjne til at virke "skinnende". (Thomas Euler / flickr) Mens fotoraktivering er udbredt over livets træ, er det helt fraværende hos pattedyr. Og i lang tid troede vi, at vi var alene. Men forskere begyndte at opdage en håndfuld svampe- og nematodearter (og nogle udvalgte populationer af hulbundne krebsdyr), som også havde mistet deres solcelledrevne DNA-reparationsevner. Den nyeste tilføjelse til gruppen med mørkeboliger, somalisk hulfisk, er muligvis de første hvirveldyr, der ikke er pattedyr, der har gennemgået et lignende trin i evolutionær historie.
”[Fotoreaktivering] er et system, der er så bevaret, fra bakterier helt til planter og mange dyr, ” siger Nicholas Foulkes, en biolog ved Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland. ”Når du ser tab af funktionen, er det dybtgående.”
Så hvordan kan en hulfisk ligne et pattedyr? Svaret, viser det sig, holder os bogstaveligt talt i mørke. Vores pattedyrsforfædre nød en meget natlig livsstil, siger evolutionsbiologen Roi Maor fra University College London. For hundreder af millioner af år siden har vores varmblodige dyreforfødte muligvis været gemt i løbet af dagen for at undgå at blive spist af solelskende dinosaurer.
Denne natlige natur kan have aktiveret et "brug det eller tab det" -princip i vores evolution. Sunnere træk (som solcelledrevet fotoreaktivering) kunne have været bortkastet på grund af omkring 100 millioner års ubrug, siger Maor. Disse genetiske tab fortsatte derefter ind i moderne tid, selv efter at pattedyr begyndte at vove sig tilbage i dagslyset.
Foulkes 'forskningsgruppe, inklusive hovedforfatter på den nye undersøgelse Haiyu Zhao, begyndte at undersøge DNA-reparation i andre natlige dyr for at lære mere om tabet af fotoraktiveringsmekanismer. Den somaliske hulfisk ( Phreatichthys andruzzii ) med sin modvilje mod sollys var en perfekt skabning at undersøge.
Først, dog havde forskerne brug for et sammenligningspunkt. Til dette valgte de en anden ferskvandsfisk som folie: zebrafisken, et godt studeret hæftemiddel i mange biologiske laboratorier. Som de fleste andre dyr koder zebrafisk genomer for det sollys-aktiverede fotoreaktiveringssystem, så de kan overleve udsættelse for høje doser UV-stråling i godt oplyste miljøer. Men UV-zappet zebrafisk fanget i total mørke er mere følsomme over for følgerne af DNA-skader.
På den anden side, da forskerne udførte de samme eksperimenter på somalisk hulefisk, var fiskene overfølsomme over for UV-stråler. I naturen lever arten i fuldstændig isolering fra sollys, og at udsætte fiskene for forhold, der efterlignede sollys, hjalp dem ikke med at overleve UV-strålingen.
Disse blinde somaliske hulfisk er faktisk ret lette på øjnene ... selvom de ikke har nogen selv. (Luca Scapoli / University of Ferrara) Ved at dykke ned i fiskenes genomer fandt forskerne, at zebrafisk fremstiller tre genoprettende fotolyaser, der tændes i nærvær af sollys, mens somalisk hulfisk kun koder for et ødelagt system. Efter yderligere undersøgelse kunne forskerne bestemme forskelle i, hvordan zebrafisk og hulfisk kontrollerede fotolysekspression.
I nærværelse af lys ledes en molekylær "nøgle" i zebrafiskceller til en genetisk "lås", som frigives for at aktivere DNA-reparationsmekanismer. Grottefisken syntes mærkeligt nok at have intakte låse, klar til at frigøre fotolysekspression - men tasterne ser ud til at være gået tabt til tiden. Foulkes 'team søger i øjeblikket efter beskadigede eller manglende nøgler i hulfisk genomet.
”Det er som om evolution er fanget i handlingen, ” siger Foulkes. "Du kan se den proces, hvorved reparationssystemet går tabt."
Over 200 arter af hulfisk befolker Jorden, men dette somaliske eksemplar er den første rapporterede at have mistet fotoraktiveringssystemet. Selv blandt hulfisk er P. andruzzii imidlertid en ekstremist, der har brugt de sidste 3 millioner år eller deromkring ud af solen. I det evige mørke af undervandshuler er det i denne svømmeres bedste interesse at spare energi på den lange vej frem - ifølge Foulkes kan disse fisk leve opad i 50 år - hvilket betyder at slippe af med unødvendig genetisk bagage.
Mens pattedyr ikke deler hulfiskens livsstil, kan disse genetiske tab muligvis afsløre de grumsete evolutionære baner, som forskellige arter deler. I stedet for at udvikle en nyttig egenskab under miljøpres, ser skabningerne ud til at have forladt et system, der ikke længere var nyttigt, siger Silvia Fuselli, en grottefiskekspert ved University of Ferrara i Italien.
”Måske gengiver disse fisk noget, der skete i vores forfædre for millioner af år siden, ” siger Foulkes.
I betragtning af at nogle solskibende arter sandsynligvis stadig med succes forhindrer menneskelig opdagelse i Jordens hulrotte huler og dybhavsgrave, har vi sandsynligvis ikke fundet den sidste af skabninger, der har kørt fotoraktivering. ”Det dukker op i disse fisk, i svampe, i [krebsdyr] ... det vil være noget, som folk finder konstant, ” siger David Carlini, en biolog ved American University, der studerer grotter, der bor i fersk vand, krebsdyr.
Og så vidt vi ved er P. andruzzii stadig temmelig unik blandt de fleste af sine afskyelige brødre. Indtil flere arter, der foretrækker mørket, kan studeres, kan den somaliske hulfisk være vejledende for at løse mysteriet om, hvordan os pattedyr mistede vores evne til at heles i solen.
