Blady, skurczony i ślepy somalijski jaskiniowiec prowadzi spokojne życie w najbardziej pozbawionych światła wodach świata. Z ich upiorną bladością i bez oczu, te ciastowate ryby wydają się nie mieć wiele wspólnego ze ssakami, ale skromna jaskinia jaskiniowa ma o wiele więcej niż na pierwszy rzut oka.
Naukowcy poinformowali wczoraj w czasopiśmie Current Biology, że jaskiniowe ryby mogą rzucić trochę bardzo potrzebnego światła na tajemniczy rozdział ewolucji ssaków: utratę naprawy DNA zasilanej energią słoneczną. Większość organizmów ma mechanizmy naprawy własnych cząsteczek DNA aktywowanych przez światło słoneczne, ale ssaki straciły tę cechę gdzieś po drodze - podobnie jak somalijskie jaskiniowate ryby.
Jako instrukcja życia, DNA jest cennym towarem. Długotrwałe uszkodzenie tego ważnego kodu przyczynia się zarówno do starzenia, jak i do zwiększonej podatności na raka. Niestety proces kopiowania i odczytu DNA może być pełen błędów, a otaczające nas środowisko jest pełne niebezpieczeństw, od szkodliwych substancji chemicznych po promienie światła ultrafioletowego zdolnego do zmiany sekwencji genetycznych.
Ale dzięki zestawowi urządzeń komórkowych zdolnych do naprawy uszkodzonego DNA większość tych nieszczęść genetycznych koryguje się bez konsekwencji. Do tych kluczowych zdolności naprawczych należy system fotoreaktywacji, który wykorzystuje enzym słoneczny o nazwie fotolaza do naprawy błędów w DNA spowodowanych ekspozycją na promieniowanie UV. Ten sprytny mechanizm obronny oznacza, że to samo zagrożenie, które uszkadza DNA - światło słoneczne - również uruchamia system naprawy kodu genetycznego.
Ssaki i jaskiniowce są całkiem różne, ale oba przystosowały się do życia w ciemności. Wiele nocnych ssaków, takich jak ten kot, ma warstwę tkanki w oku, która poprawia ich widzenie w nocy i sprawia, że ich oczy wydają się „błyszczące”. (Thomas Euler / flickr) Podczas gdy fotoreaktywacja jest szeroko rozpowszechniona na drzewie życia, jest całkowicie nieobecna u ssaków. I przez długi czas myśleliśmy, że jesteśmy sami. Ale naukowcy zaczęli odkrywać garstkę gatunków grzybów i nicieni (i niektóre wybrane populacje skorupiaków związanych z jaskiniami), które również straciły swoje możliwości naprawy DNA za pomocą energii słonecznej. Najnowszy dodatek do grupy żyjącej w ciemności, somalijskie jaskiniowate, mogą być pierwszymi kręgowcami niebędącymi ssakami, które przeszły podobny etap historii ewolucji.
„[Fotoreaktywacja] to tak zachowany system, od bakterii aż po rośliny i wiele zwierząt” - mówi Nicholas Foulkes, biolog z Karlsruhe Institute of Technology w Niemczech. „Gdy widzisz utratę funkcji, jest to głębokie”.
Jak więc jaskiniowiec może przypominać ssaka? Okazuje się, że odpowiedź utrzymuje nas dosłownie w ciemności. Nasi ssacze przodkowie prowadzili bardzo nocny tryb życia, mówi biolog ewolucyjny Roi Maor z University College London. Setki milionów lat temu nasi ciepłokrwisti przodkowie zwierząt mogli ukryć się w ciągu dnia, aby uniknąć pożarcia dinozaurów kochających słońce.
Ta nocna natura mogła aktywować zasadę „używaj albo strać” w naszej ewolucji. Maor twierdzi, że cechy słoneczne (jak fotoreaktywacja zasilana energią słoneczną) mogły zostać odrzucone z powodu około 100 milionów lat nieużywania. Te straty genetyczne przetrwały do czasów współczesnych, nawet po tym, jak ssaki zaczęły zapuszczać się z powrotem w światło dzienne.
Grupa badawcza Foulkesa, w tym główny autor nowego badania Haiyu Zhao, postanowiła zbadać naprawę DNA u innych nocnych zwierząt, aby dowiedzieć się więcej o utracie mechanizmów fotoreaktywacji. Somalijskie jaskiniowate ( Phreatichthys andruzzii ), ze swoją niechęcią do światła słonecznego, było idealnym stworzeniem do zbadania.
Najpierw jednak naukowcy potrzebowali punktu porównawczego. W tym celu wybrali inną rybę słodkowodną jako folię: danio pręgowanego, dobrze przebadany w wielu biologicznych laboratoriach. Podobnie jak większość innych zwierząt, genomy danio pręgowanego kodują działający na światło słoneczne system fotoreaktywacji, co pozwala im przetrwać ekspozycję na wysokie dawki promieniowania UV w dobrze oświetlonym otoczeniu. Ale danio pręgowany, uwięziony w całkowitej ciemności, jest bardziej wrażliwy na skutki uszkodzenia DNA.
Z drugiej strony, kiedy naukowcy przeprowadzili te same eksperymenty na somalijskich jaskiniach, ryby były nadwrażliwe na promienie UV. Na wolności gatunek żyje w całkowitej izolacji od światła słonecznego, a wystawianie ryb na warunki, które naśladują światło słoneczne, nie pomogły im przetrwać promieniowania UV.
Te ślepe somalijskie jaskiniowe oczy są całkiem łatwe dla oczu ... nawet jeśli same nie mają. (Luca Scapoli / University of Ferrara) Wnikając w genomy ryb, naukowcy odkryli, że danio pręgowany wytwarza trzy odbudowujące fotolazy, które wzmacniają się w obecności światła słonecznego, podczas gdy somalijskie jaskiniowe kodują tylko zepsuty system. Po dalszym badaniu naukowcy byli w stanie określić różnice w sposobie kontrolowania ekspresji fotolizy u danio pręgowanego i jaskiniowego.
W obecności światła molekularny „klucz” w komórkach danio pręgowanego jest prowadzony do genetycznego „zamka”, który jest uwalniany w celu aktywacji mechanizmów naprawy DNA. Co ciekawe, jaskiniowe jaskinie wydawały się mieć nienaruszone zamki, gotowe uwolnić ekspresję fotolizy - ale klucze wydają się być zgubione z czasem. Zespół Foulkesa szuka obecnie uszkodzonych lub brakujących kluczy w genomie jaskiniowych.
„To tak, jakby ewolucja została złapana na gorącym uczynku” - mówi Foulkes. „Możesz zobaczyć proces, w wyniku którego ginie system naprawczy”.
Ponad 200 gatunków jaskiniowców zamieszkuje Ziemię, ale ten somalijski okaz jest pierwszym, który utracił system fotoreaktywacji. Jednak nawet wśród jaskiniowców P. andruzzii jest ekstremistą, który spędził ostatnie 3 miliony lat poza Słońcem. W wiecznej ciemności podwodnych jaskiń w najlepszym interesie tego pływaka leży oszczędzanie energii na długiej drodze - według Foulkesa te ryby mogą żyć ponad pięćdziesiąt lat - co oznacza pozbywanie się niepotrzebnego bagażu genetycznego.
Podczas gdy ssaki nie dzielą stylu życia z jaskiniami, te straty genetyczne mogą ujawnić mroczne trajektorie ewolucyjne, które dzielą różne gatunki. Silvia Fuselli, ekspert w dziedzinie jaskiń na uniwersytecie w Ferrarze we Włoszech, zamiast rozwijać użyteczną cechę pod presją środowiska, wydaje się, że porzuciła system, który nie był już przydatny.
„Może te ryby odtwarzają coś, co wydarzyło się u naszych przodków miliony lat temu”, mówi Foulkes.
Biorąc pod uwagę, że niektóre gatunki, które unikają słońca, prawdopodobnie nadal skutecznie wymykają się ludzkim odkryciom w jaskiniowych jaskiniach i okopach głębinowych, prawdopodobnie nie znaleźliśmy ostatniego z stworzeń, które straciły fotoreaktywację. „Pojawia się u tych ryb, grzybów, u [skorupiaków]… będzie to coś, co ludzie będą konsekwentnie znajdować” - mówi David Carlini, biolog z American University, który bada skorupiaki słodkowodne żyjące w jaskiniach.
I o ile wiemy, P. andruzzii wciąż jest wyjątkowy wśród większości swoich wstrętnych braci. Dopóki nie będzie można badać większej liczby gatunków, które preferują ciemność, somalijskie jaskinie mogą być światłem przewodnim w rozwiązywaniu zagadki, w jaki sposób my, ssaki, utraciliśmy zdolność do gojenia się na słońcu.
