A repülőhalfélék fajai a ragadozóktól való hatékonyabb menekülés érdekében képesek kiugrani a vízből, és nagyobb távolságokat vitorlázni a levegőben páros mell- és medenceuszonyaik révén. Ezek az uszonyok hosszabbak és merevebbek a többi hal hasonló uszonyainál, és az evolúció kiemelkedően érdekes fejleményeinek tekinthetők, hiszen lehetővé teszik, hogy az alapvetően szigorúan vízi életet folytató állatok átmenetileg a levegőben haladjanak.
A Harvard orvosi kara és a Bostoni Gyermekkórház kutatói nemrégiben közzétettek egy tanulmányt, amelyben a szokatlan uszonyok evolúciójának genetikai alapjairól számolnak be. Matthew Harris és társai a kutatási módszerek innovatív kombinálása révén igazolták, hogy mindössze két gén felel a repülő halak megváltozott testformájáért. Amikor ezek a mutációk akváriumi halakban is megtörténtek, azok teste is hasonlóan kezdett változni.
Az eredmények azért is érdekesek, mert azt sugallják, hogy a morfogenetikai kémiai jeleken túl a fejlődő szövetekben fellépő bioelektromos jelek is befolyásolják az uszonyok és más testrészek növekedését és formálódását.
A kutatás rávilágít arra, hogyan vezethet egy aprócska genetikai módosulás nagy morfológiai változásokhoz, amelyek fontos evolúciós jelentőséggel bírnak.
Génről génre
Az állatvilág sokfélesége alapvetően a fejlődést vezérlő genetikai programok és a természetes kiválasztódás összjátékának eredménye. A szövetek növekedésének ütemezése vagy a növekedési sebesség változása nagyon megváltoztathatja egy struktúra alakját, új csontok megjelenéséhez vagy korábbiak eltűnéséhez vezethet, és olyan új adaptációkat hívhat életre, amelyek révén új fajok fejlődnek ki, új élőhelyeket foglalva el.
Az evolúciós fejlődésbiológia, avagy ahogy az angolszászok informálisan hívják, az evo-devo művelői ezt a folyamatot tanulmányozzák. Az ide sorolható kutatások nagy múltra tekintenek vissza, azonban csak az utóbbi időkben vált lehetségessé, hogy a kutatók egy-egy specifikus változás genetikai okait is felderítsék.
Harris és társai úgy próbálták feltárni a repülő halak testformájának genetikai alapjait, hogy először is szekvenálták és összevetették 35 faj genomját, amelyek a repülőhalfélék közé tartoznak vagy ezek közeli rokonai. A fajról fajra különösen gyorsan változó DNS-régiókra koncentrálva azonosították azokat a géneket, amelyek látszatra a szelekciós nyomás hatására alakultak.
Ez az összehasonlító elemzés persze csak a gyanús gének körét szűkítette le, azt nem segített megtalálni, hogy pontosan melyik gének felelnek a változásokért. Ekkor kezdődött a kutatás második szakasza, amelynek keretében zebradániókkal kezdtek kísérletezni.
Vegyszerekkel és gammasugarakkal véletlenszerű mutációkat hoztak létre több mint 10 ezer halembrióban, majd megnézték, hogy ezek közül melyik éri meg a felnőttkort, és milyen testi tulajdonságokkal rendelkeznek.
A kutatás szokatlannak számít, hiszen bár a zebradániókat gyakran használják genetikai vizsgálatok során, ilyenkor elsősorban az embrionális fejlődésre szoktak fókuszálni.
Jacob Daane, Harris kutatócsoportjának tagja olyan ismert zebradánió-mutációkat vizsgált, amelyek az uszonyok megnyúlásával járnak. A vizsgálatok eredményeit összevetve két mutáció emelkedett ki a sok közül: a kcnh2a, amelynek jelenlétében a sejtek a szokásosnál több káliumcsatornát fejeznek ki a sejtmembránon, és a lat4a, amely ellehetetleníti a sejtekben a leucin nevű aminosav transzportját.
A kutatók megmutatták, hogy a zebradániókban a lat4a jelenléte mellett az összes uszony rövidre fejlődik, míg a kcnh2a jelenléte az uszonyok megnyúlásához vezet. A kérdéses mutációk külön-külön nagyon esetlen mozgású halakat eredményeznek. Ha azonban együtt vannak jelen, a zebradánió hosszú melluszonyokkal és rövidebb középső uszonyokkal fog rendelkezni, pontosan úgy, ahogy a repülő halak. Ahogy Daane mondja, mindezen változások ráadásul egy-egy pontmutáció eredményei, vagyis nagyon apró genetikai módosulások okoznak nagyon jelentős morfológiai változásokat.
Van benne rendszer
A repülő halak teste az evolúció során egymástól függetlenül hasonlóan alakult a különböző leszármazási vonalakon. A változás ráadásul nemcsak morfológiai szinten volt hasonló, a genetikai mutációk is mindig egyforma típusúak voltak, vagyis a leucin transzportját és a káliumcsatonákat érintették. A leucintranszport kapcsán megfigyelt mutációk ugyan a különböző fajoknál nem teljesen azonosak, de ugyanaz az eredményük.
Az új megfigyelések ugyanakkor új kérdéseket is felvetnek. A káliumcsatornák kifejeződésének „uszonynövelő” hatása kapcsán például egyelőre senki sem érti, hogyan működik. A kutatók olyasmit sejtenek a háttérben, hogy a túl sok káliumcsatorna megváltoztatja a nyugalmi membránpotenciált és a citoplazma pH-ját, amitől a sejt aktívabbá és reszponzívabbá válik.
Az érintett uszonysejtek ennek eredményeként hajlamosak lehetnek olyan jelátviteli útvonalakat aktiválni, amelyek alapvetően az idegsejtekre és az őssejtekre jellemzőek. Lehetséges, hogy ez a módosult jelzésrendszer változtatja meg az uszonyok növekedését, de mindez egyelőre csak spekuláció, mondja Harris.
Annyi bizonyos, hogy amikor a kutatók gátolták az uszonysejtek közti káliumáramlást, vagyis gyakorlatilag kiiktatták a káliumcsatornákat felszaporító mutációt, az uszonyok növekedése mérséklődött. Ennek alapján a szakértők úgy sejtik, hogy az uszonyok sejtjei a fejlődés egyes szakaszaiban úgy működnek, mint egy szincitium, vagyis egy közös citoplazmával rendelkező nagyobb egység, amelyben sejtmagok lebegnek.
Ha ez így van, akkor a káliumionok olyan elektromos mezőt generálhatnak, amely a teljes fejlődő uszonyra kiterjed, távolabbra ható koordinációt valósítva meg a jelátvitel során, mint ami a különálló sejtek esetén megszokott.
Ez azért is érdekes lehet, mert más kutatások során a szakértők már láttak bizonyítékokat arra, hogy az elektromos mezők szerepet játszhatnak a fejlődő szövetek formálásában.
Ősi receptek
Az új kutatás egy korábbira érdekes munkára épít, amelyet szintén Harris és társai végeztek. A szakértők 2021 elején számoltak be arról, hogy egyetlen pontmutáció kifejezetten végtagszerűvé képes alakítani a zebradániók uszonyait. A felfedezés nagy szenzációt keltett, hiszen a halak elődeinek fejlődése 450 millió évvel ezelőtt vált külön a majdani négylábúakétól.
A kutatás kapcsán közölt tanulmányból az derült ki, hogy a végtagok növesztésének képessége már a csontos halak és a négylábúak közös ősében is megvolt.
A zebradániók melluszonya normál körülmények között csak egyetlen rétegnyi csontelemmel (proximális radiálisokkal) csatlakozik a testhez. Ezek az ízületek alkotják a hal „vállát”. A Harris és társai által megfigyelt mutáns zebradániókban azonban két további rétegnyi köztes csontozat is megjelent, amelyekhez ráadásul izmok is csatlakoztak. Egyetlen mutációval tehát nem egyszerűen csak egy új darabka szövet alakul ki, hanem egy egészen új struktúra, amely integrálódik a meglévő rendszerbe, mondja Hawkins.
Az eredményeket más kutatások is megerősítik, egyre több bizonyítékot sorakoztatva fel amellett, hogy az uszonyok és a végtagok azonos mechanizmusok mentén fejlődnek, és hogy a végtagok növesztéséhez szükséges strukturáltságra már az evolúció nagyon korai időszakában megvolt a potenciál.
Egy novemberben közzétett tanulmány szerzői arról számolnak be, hogy azonosítottak egy gént, amely az uszonyok külső szélének fejlődését és a négylábúak ujjainak növekedését egyaránt szabályozza. Ugyanebben a hónapban egy másik publikáció szerzői pedig azt tárták fel, hogy az ugróegerek megnyúlt hátsó lábai egyetlen gén működéséhez köthetők, amely szokatlan mértékű csontnövekedést okoz, hasonlóan a repülő halak uszonyaiban megfigyelthez.
A megfigyelések kapcsán nagy kérdés, hogy ha valóban ugyanazon folyamat módosulásaiként jönnek létre a megfigyelt változatok, akkor honnan származik az eredeti, ősi fejlődési program. Az uszonyok és végtagok „közös” fejlődési programja ugyanis vélhetően egy még ősibb fejlődési program módosult formája, amely eredetileg egy másik testrészre vonatkozott, vélik a szakértők. Tetsuya Nakamura, a Rutgers Egyetem fejlődésbiológusa szerint például a páros uszonyok és a végtagok genetikai programja valószínűleg a páratlan hátuszony és farokuszony programjából módosult, amelyek jóval ősibbek a páros uszonyoknál.
***
A független szakértők szerint Harris és társai eredményei az alkalmazott módszerek miatt is nagyon érdekesek lehetnek. A fejlődésbiológia gyakran nagyon konkrét dolgokat, adott géneket és jelzéseket vizsgál, ami beszűkíti a lehetséges eredmények körét. Harris kutatócsoportja azonban felforgatta a szokásos megközelítést, és nagy léptékű genetikai vizsgálatot alkalmazott az érdekesnek tűnő fenotípusú halak kiszűrésére.
A kutatók arra haladtak, amerre a halak kinézete vitte őket, és ebből próbálták visszafejteni a genetikát, nem pedig fordítva. Harris szerint a hasonlóan innovatív kutatásoknak mindössze annyi a titka, hogy jó kérdéseket kell fel tenni. Ha ez sikerül, akkor egészen váratlan újdonságok derülhetnek ki, mondja a kutatás vezetője.
