Бледные, сморщенные и слепые сомалийские пещерные рыбы живут тихой жизнью в самых голодных в мире водах. С их ужасной бледностью и отсутствием глаз, чтобы говорить, эти пастообразные рыбы, похоже, не имеют много общего с млекопитающими, но для смиренных пещерных рыб гораздо больше, чем кажется на первый взгляд.
Вчера в журнале Current Biology ученые сообщили, что пещерные рыбы могут пролить столь необходимый свет на загадочную главу эволюции млекопитающих: потерю репарации ДНК на солнечной энергии. У большинства организмов есть механизмы для восстановления своих собственных молекул ДНК, активированных солнечным светом, но млекопитающие потеряли эту черту где-то на этом пути - как и сомалийские пещерные рыбы.
Как инструкция для жизни, ДНК является ценным товаром. Устойчивое повреждение этого жизненно важного кода способствует как старению, так и повышению подверженности раку. К сожалению, процесс копирования и чтения ДНК может быть пронизан ошибками, и окружающая нас среда сопряжена с опасностями, начиная от вредных химикатов до ультрафиолетовых лучей, способных изменять генетические последовательности.
Но благодаря ряду клеточных машин, способных восстанавливать скомпрометированную ДНК, большинство этих генетических ошибок исправляются без последствий. Среди этих важнейших репаративных возможностей - система фотореактивации, которая использует фермент на солнечной энергии, называемый фотолиазой, для исправления ошибок в ДНК, вызванных воздействием ультрафиолетового излучения. Этот умный защитный механизм означает, что та же самая опасность, которая наносит ущерб ДНК - солнечный свет - также запускает систему восстановления генетического кода.
Млекопитающие и пещерные рыбы довольно разные, но оба приспособились к жизни в темноте. У многих ночных млекопитающих, таких как эта кошка, есть слой ткани в глазу, который улучшает их ночное зрение и делает их глаза "блестящими". (Томас Эйлер / Flickr) Хотя фотореактивация широко распространена на древе жизни, она полностью отсутствует у млекопитающих. И долгое время мы думали, что мы одни. Но ученые начали обнаруживать несколько видов грибов и нематод (и некоторых избранных популяций ракообразных в пещерах), которые также утратили свои возможности восстановления ДНК на солнечной энергии. Новейшее дополнение к темной группе, сомалийские пещерные рыбы, могут быть первыми позвоночными, не относящимися к млекопитающим, которые прошли подобный этап эволюционной истории.
«[Фотореактивация] - это система, которая так консервативна, от бактерий до растений и многих животных», - говорит Николас Фулкес, биолог из Карлсруэского технологического института в Германии. «Когда вы видите потерю функции, это глубоко».
Так как же может пещерная рыба напоминать млекопитающего? Ответ, оказывается, держит нас буквально в неведении. Наши предки млекопитающих вели очень ночной образ жизни, говорит эволюционный биолог Рой Маор из Университетского колледжа Лондона. Сотни миллионов лет назад наши теплокровные предки животных, возможно, прятались в дневное время, чтобы не быть съеденными любящими солнце динозаврами.
Эта ночная природа, возможно, активировала принцип «используй или потеряй» в нашей эволюции. По словам Маора, признаки солнечного света (такие как фотореактивация на солнечной энергии) могли быть отброшены из-за 100 миллионов лет неиспользования. Эти генетические потери затем сохранились в наше время, даже после того, как млекопитающие начали рисковать назад к дневному свету.
Исследовательская группа Фоулкса, в том числе ведущий автор нового исследования Haiyu Zhao, приступила к изучению восстановления ДНК у других ночных животных, чтобы узнать больше о потере механизмов фотореактивации. Сомалийские пещерные рыбы ( Phreatichthys andruzzii ) с их отвращением к солнечному свету были идеальным существом для изучения.
Во-первых, исследователи нуждались в сравнении. Для этого они выбрали другую пресноводную рыбу в качестве фольги: рыба-данио, хорошо изученный продукт во многих биологических лабораториях. Как и большинство других животных, геномы рыбок данио кодируют систему фотореактивации с включенным солнечным светом, что позволяет им выдерживать воздействие высоких доз УФ-излучения в хорошо освещенных условиях. Но затравленные ультрафиолетом данио, попавшие в полную темноту, более чувствительны к последствиям повреждения ДНК.
С другой стороны, когда исследователи проводили те же эксперименты на сомалийских пещерных рыбах, рыбы были гиперчувствительны к ультрафиолетовым лучам. В дикой природе виды живут в полной изоляции от солнечного света, и воздействие рыбы на условия, имитирующие солнечный свет, не помогло им выжить в ультрафиолетовом излучении.
Эти слепые сомалийские пещерные рыбы на самом деле довольно просты для глаз ... даже если у них их нет. (Лука Скаполи / Университет Феррары) Исследуя геномы рыб, исследователи обнаружили, что рыбки данио производят три восстанавливающие фотолиазы, которые усиливаются в присутствии солнечного света, в то время как сомалийские пещерные рыбы кодируют только нарушенную систему. После дальнейшего изучения исследователи смогли определить различия в том, как рыбки данио и раковые рыбы контролируют экспрессию фотолиазы.
В присутствии света молекулярный «ключ» в клетках рыбок данио направляется к генетическому «замку», который высвобождается для активации механизмов репарации ДНК. Как ни странно, у пещерных рыб, казалось, были целые замки, готовые раскрыть выражение фотолиазы, но ключи, похоже, были утеряны во времени. Команда Фоулкса в настоящее время ищет поврежденные или отсутствующие ключи в геноме пещерных рыб.
«Это похоже на эволюцию, попавшую в действие», - говорит Фоулкс. «Вы можете видеть процесс потери системы ремонта».
Более 200 видов пещерных рыб населяют Землю, но этот сомалийский экземпляр является первым, который, как сообщается, утратил систему фотореактивации. Однако, даже среди пещерных рыб P. andruzzii является экстремистом, проведшим последние 3 миллиона или около того лет от солнца. В вечной темноте подводных пещер в интересах этого пловца экономить энергию на долгий путь вперед - по словам Фоулкса, эти рыбы могут жить свыше пятидесяти лет - что означает избавление от любого ненужного генетического багажа.
В то время как млекопитающие не разделяют образ жизни пещерных рыб, эти генетические потери могут выявить мутные эволюционные траектории, которые разделяют различные виды. По словам Сильвии Фузелли, эксперта по пещерным рыбам в Университете Феррары в Италии, существа, вместо того чтобы выработать полезную черту под давлением окружающей среды, похоже, отказались от системы, которая больше не была полезной.
«Возможно, эти рыбы воспроизводят то, что произошло с нашими предками миллионы лет назад», - говорит Фоулкс.
Учитывая, что некоторые виды, избегающие солнца, вероятно, все еще успешно избегают человеческих открытий в кавернозных пещерах и глубоководных траншеях Земли, мы, вероятно, не нашли последнего из существ, которые потеряли фотореактивацию. «Это проявляется у этих рыб, у грибов, у [ракообразных]… это будет то, что люди постоянно находят», - говорит Дэвид Карлини, биолог из Американского университета, который изучает обитающих в пещерах пресноводных ракообразных.
И, насколько нам известно, P. andruzzii все еще довольно уникален среди большинства своих ненавидящих свет братьев. Пока больше видов, предпочитающих темноту, не могут быть изучены, сомалийские пещерные рыбы могут быть направляющим светом, чтобы разгадать тайну того, как мы, млекопитающие, утратили способность исцелять на солнце.
