Эволюция воспользовалась причудой генетики рыб, чтобы развить электрические органы. У всех рыб есть дублированные версии одного и того же гена, который производит крошечные мышечные моторы, называемые натриевыми каналами. Чтобы развить электрические органы, электрические рыбы отключили один дубликат гена натриевого канала в мышцах и включили его в других клетках. Крошечные двигатели, которые обычно заставляют мышцы сокращаться, были перепрофилированы для генерации электрических сигналов, и вуаля! Родился новый орган с удивительными возможностями.

«Это захватывающе, потому что мы можем видеть, как небольшое изменение в гене может полностью изменить место его экспрессии», — сказал Гарольд Закон, профессор нейробиологии и интегративной биологии Техасского университета в Остине и автор исследования.

В новой статье исследователи из UT Austin и Мичиганского государственного университета описывают обнаружение короткого участка этого гена натриевого канала длиной около 20 букв, который контролирует экспрессию гена в любой данной клетке. Они подтвердили, что у электрических рыб эта контрольная область либо изменена, либо полностью отсутствует. Вот почему один из двух генов натриевых каналов выключен в мышцах электрических рыб. Но последствия выходят далеко за рамки эволюции электрических рыб.

«Эта контрольная область есть у большинства позвоночных, включая человека», — сказал Закон. «Итак, следующим шагом с точки зрения здоровья человека будет изучение этой области в базах данных генов человека, чтобы увидеть, насколько велика вариация у нормальных людей и могут ли некоторые делеции или мутации в этой области привести к снижению экспрессии натриевых каналов. , что может привести к заболеванию».

Первым автором исследования является Сара Лапотин, научный сотрудник лаборатории Zakon во время исследования и в настоящее время докторант Университета Юты. Помимо Закона, другими старшими авторами исследования являются Иоганн Эберхарт, профессор молекулярной биологии в UT Austin, и Джейсон Галлант, адъюнкт-профессор интегративной биологии в Университете штата Мичиган.

Закон сказал, что ген натриевых каналов должен быть отключен в мышцах, прежде чем сможет развиться электрический орган.

«Если бы они включили ген и в мышце, и в электрическом органе, то все то новое, что происходило с натриевыми каналами в электрическом органе, также происходило бы и в мышцах», — сказал Закон. «Поэтому было важно изолировать экспрессию гена в электрическом органе, где он мог развиваться, не повреждая мышцы».

В мире есть две группы электрических рыб — одна в Африке, а другая в Южной Америке. Исследователи обнаружили, что электрические рыбы в Африке имели мутации в контрольной области, в то время как электрические рыбы в Южной Америке полностью ее потеряли. Обе группы пришли к одному и тому же решению для разработки электрического органа — утрате экспрессии гена натриевого канала в мышцах — хотя и двумя разными путями.

«Если вы перемотаете ленту жизни и нажмете кнопку воспроизведения, будет ли она воспроизводиться так же или найдет новые пути вперед? Будет ли эволюция работать одним и тем же образом снова и снова?» — сказал Галлант, занимающийся разведением электрических рыб из Южной Америки, которые использовались в ходе исследования. «Электрические рыбы позволяют нам попытаться ответить на этот вопрос, потому что они неоднократно развивали эти невероятные черты. В этой статье мы замахнулись на заборы, пытаясь понять, как эти гены натриевых каналов неоднократно терялись у электрических рыб. Это действительно была совместная работа.»

Один из следующих вопросов, на который исследователи надеются ответить, заключается в том, как эволюционировала контрольная область для включения натриевых каналов в электрическом органе.

Финансирование этого исследования было предоставлено Национальным научным фондом и Национальным институтом здравоохранения.