Krokodilijsvissen en hun evolutie

Krokodilijsvissen zijn vissen die geen hemoglobine bezitten, hun bloed is transparant en de vis is kleurloos. Ze leven in de Antarctische Oceaan waar de temperatuur van het water onder de 0 graden kan liggen. De vis heeft zich daar op verschillende manieren aan aangepast. Sean B. Carroll schreef er over in zijn boek ‘The Making of the Fittest’. Hier begon zijn verhaal.

Krokodilijsvis, uit Wikipedia

Johan Ruud reisde in 1930 af naar het eiland Bouvet in de Atlantische Oceaan. Een student die hem twee jaar geleden voorging wees zijn medereizigers op het feit dat er witte vissen rondzwommen. Johan Ruud hoorde van de vissers dat er vissen zonder bloed bestonden, maar geloofde hen niet! Pas in 1953 (23 jaar later!) kreeg hij de kans er terug te keren en enkele exemplaren te bestuderen. In 1954 schreef hij er een artikel over. De vis is het enige gewervelde dier zonder rode bloedlichaampjes. Het fossielenbestand geeft geen antwoord op de vraag waar deze vis uit voortkomt, maar DNA-onderzoek van 1993 wees uit dat de twee genen die normaal de DNA-code voor hemoglobine bevatten uitgestorven waren. Een van de twee is louter een gemodificeerd overblijfsel en is onbruikbaar. Het tweede gen, dat bij andere vissen er direct naast ligt is compleet verdwenen. Dit betekent dat deze ijsvissen voorgoed de genen, die voor meer dan 500 miljoen jaar de overleving van hun voorouders bepaalden, verloren hebben.

Als gevolg van veranderingen in de stromingen in de oceanen, bleven de wateren rond de

Krokodilijsvis met duiker

Antarctica eeuwig koud. De vissen die hier leefden stierven uit of pasten zich aan. De grotere onderorde Notothenioidea, die wel uit 200 soorten bestaat, domineert deze wateren. Al deze vissen moeten de viscositeit van hun bloed verlagen en doen dat door hun rode bloedlichaampjes te verminderen; hun hematocriet ligt rond de 16%, terwijl wijzelf zo’n 45% hematocriet hebben. Maar de krokodilijsvissen hebben al hun rode bloedlichaampjes opgegeven en hebben alleen 1% witte bloedlichaampjes (per volume); hun bloed is ijswater. Nu is zuurstof veel beter oplosbaar in ijskoud water. De krokodilijsvissen hebben enorme kieuwen, een huid zonder schubben en grote haarvaten. Dit alles vergroot natuurlijk de opname van zuurstof uit de omgeving. De vissen hebben ook een groter hart en bloedvolume dan hun roodbloedige verwanten. Een studie door B.D. Sidell et al. beschouwt dit als een niet-adaptieve verandering voor de ijsvis (omdat er ook nadelen aan verbonden zijn?)

Ook microtubules, die verantwoordelijk zijn voor het cytoskeleton, de celdeling en celvorm en die in alle eukaryoten (planten, dieren, schimmels) goed geconserveerd zijn, worden onder de 10°C onstabiel. Nu blijken de genen voor microtubulen in deze vissen zoals ook in de roodbloedige Antarctische vissen, zodanig gemuteerd te zijn dat hun eiwitproduct toch functioneel is bij lage temperaturen.

Ijsvis, uit Wikipedia

Een andere eigenschap is dat de vissen geen mioglobine bezitten. Dit globine legt zuurstof vast binnen de spierweefsels als reserve. Tenminste 5 soorten hebben dit globine niet, terwijl andere weinige soorten nog wat in hun hart hebben. Uit DNA-analyse blijkt dat het gen voor mioglobine gedeeltelijk gemuteerd is. Het is bezig een fossiel gen te worden.

Dan is er nog de uitvinding van het antivriessysteem. Het plasma van Antarctische vissen (dus niet alleen de krokodilijsvissen) zit boordevol ongebruikelijke maar simpele proteïnen die bestaan uit 4 tot 55 herhalingen van slechts 3 aminozuren. Waar zouden deze genen vandaan komen? Het blijkt dat het gen voortkomt uit een afgebroken gen dat verantwoordelijk was voor de spijsvertering en dat gerecycled is als een antivries gen.

Het is mogelijk de langzame evolutie en specialisatie met de bestudering van het DNA van deze vis te volgen. Alle 200 soorten Antarctische notothenoide-soorten hebben antivries genen, dus dat was een vroege uitvinding. Dit geldt ook voor de microtubulus-genen. Slechts 15% ijsvissen hebben fossiele (verdwenen) hemoglobine-genen. Dit betekent dat het verlies van deze genen gepaard ging met de eerste krokodilijsvissen. Sommige van deze ijsvissen kunnen mioglobine aanmaken en sommige niet meer; het verlies van mioglobine is nog steeds aan het evolueren.

De ijsvissen volgden een bijzonder evolutionair traject door zich aan te passen aan de constant koude omstandigheden van de Oceaan rond Antarctica. Door het definitieve verlies van bepaalde eigenschappen kan hun toekomst wel eens in gevaar komen. Het krill, waar de krokodilijsvis zich mee voedt, is in de regio is met 80% gedaald. De luchttemperatuur is in de laatste 50 jaar met 1 tot 2 graden gestegen en de watertemperatuur zal met enkele graden stijgen de komende 100 jaar. Het is waarschijnlijk dat onze krokodilijsvis het dan niet zal redden.

Uit: Journal of Experimental Biology; Sean B. Carroll; ‘The making of the fittest’. (Aangeraden door ing St Hawk.)

Dit bericht verscheen eerder op het Volkskrantblog dat per 1 maart 2011 gaat sluiten. In een voorgaand bericht schreef ik over de duplicatie van antivries genen.

Genduplicatie (VKblog)

Omdat het waarschijnlijk is dat het Vkblog per 1 Maart gaat sluiten heb ik op WordPress een nieuw bericht geplaatst. Het kan hier gelezen worden.

 

Met vriendelijke groet,

Genduplicatie

Een recent onderzoek toont aan dat het antivriesgen in een Antarctische vis (de puitaal) voortkomt uit de duplicatie van een gen voor een enzyme dat siaalzuur produceert (SAS), een stof die eiwitten beschermt tegen proteasen. Ook in planten is genduplicatie aangetoond.

Genduplicatie is een belangrijk evolutionair mechanisme dat aan de basis staat van het ontstaan van nieuwe genetische functies. Susumo Ohno schreef er een boek over met de

Genduplicatie uit Wikipedia

titel Evolution by gene duplication (1970). Genduplicatie kan een gevolg zijn van een fout in homologe recombinatie, een fenomeen dat gedurende de meiose en tijdens de reparatie van DNA kan plaatsvinden. Gedurende meiose worden gedeelten van homologe chromosomen uitgewisseld. Is deze uitwisseling niet geheel wederzijds dan kunnen deze chromosomen een heel nieuw gen of gencluster erbij krijgen. Hetzelfde kan zich ook voordoen tijdens reparatie van DNA, waarbij de intacte kopie van het homologe chromosoom als sjabloon dient voor de reparatie van het defecte chromosoom. Ook hier geldt dat wanneer er daarbij iets fout gaat er genduplicaties kunnen ontstaan. Dit mechanisme van genduplicatie is het gevolg van een fout, maar aangezien het verantwoordelijk is voor een zeer belangrijk aspect van de ontwikkeling van het genoom moet het als een volwaardig mechanisme van evolutie beschouwd worden. De nieuwe kopie is nu vrij te muteren zonder dat de oude functie van de originele kopie verloren gaat.

Puitaal

De studie van genduplicatie bij de puitaal laat zien dat het antivriesgen (AFPIII) evolueerde uit een SAS-gen dat als gevolg van genduplicatie in twee kopieën aanwezig was. Dit bevrijdde de kopie uit het adaptieve conflict. Dit conflict doet zich voor wanneer een gen door mutatie een nieuwe functie erbij krijgt en de oude, misschien wel essentiële functie dreigt te verliezen. Wordt het muterende gen daarentegen gedupliceerd dan kan één van de twee kopieën de nieuwe functie ontwikkelen. Het SAS-gen heeft zowel een enzymatische als antivriesfunctie, maar wordt niet door de cel uitgescheiden. Een extra peptide in het eiwit dat door het AFPIII-gen geproduceerd wordt, zorgt ervoor dat dit antivries-eiwit ook in het bloed en in de extracellulaire vloeistof terecht komt.

Ook in planten werd een analoog geval van genduplicatie ontdekt. De onderzoekers baseren zich daarbij op syntenie: eventuele genduplicaties bevinden zich in hetzelfde

grote leeuwenbek

gebied van een chromosoom. Twee genen respectievelijk het AGAMOUS (AG) gen van de zandraket Arabidopsis thaliana en het PLENA (PLE) gen van de grote leeuwenbek, Antirrhinum majus hebben een analoge functie. Muteren deze genen dan worden meeldraden en stampers vervangen door bloembladen en kelkbladen en vormen zich dubbele bloemen. Analyse van de syntenie toont aan dat deze twee genen voortkomen uit een genduplicatie die zich 125 miljoen jaar geleden voordeed.

Uit: PNAS, Wikipedia, Physorg.com (antivries), Physorg.com (planten)